催化剂做了什么
催化剂catalyst是能加快反应、本身在反应前后不被消耗的物质（OpenStax 12.7）。U5.7 和 U5.10 已经说明了它的工作方式：
- 催化剂提供一条新的途径（新的机理），这条途径中决速步的活化能更低；
- 催化剂在机理的某一步中被消耗，又在后面的步骤中重新生成；
- 两条途径的起点和终点相同。
催化剂不改变什么
因为起点和终点相同，催化剂：
- 不改变 ΔH：吸热反应仍然吸热，放热反应仍然放热；
- 不改变平衡常数 K 和平衡位置：它使正、逆反应的活化能降低同样多，正、逆反应同样加快，只是更快地达到同一个平衡（2.11.5）；
- 不改变产物的量：生成多少产物由反应物的量和 K 决定；
- 不提供能量，也不改变温度、粒子的平均动能和能量分布。
用分布曲线看催化剂
U5.5 中，升高温度使分布曲线向右移动，能量不低于 Ea 的粒子变多。加入催化剂则不同：分布曲线不变，是 Ea 的位置向左移，于是能量够的粒子所占的比例增大。打开下面的“加入催化剂”比较：
示意：为了看清涂色部分，活化能取得比真实反应小得多；比例按分子能量的分布精确计算。
三类催化
酸碱催化。 反应物得到或失去一个质子（H⁺），变成更容易反应的形式；这个质子在后面的步骤中又被释放。例如一种示意的机理：S + H⁺ → SH⁺（快）；SH⁺ + W → P + H⁺（慢）。H⁺ 先消耗后生成，是催化剂；速率与 [H⁺] 有关。
表面（多相）催化。 催化剂与反应物处在不同的相中，通常是固体催化剂与气体或溶液中的反应物。OpenStax 用镍表面上 C₂H₄ 与 H₂ 的反应说明了四个过程：反应物吸附在表面上 → 表面使反应物的键变弱或断开（活化）→ 吸附的原子在表面上反应 → 产物脱附。表面还把反应物固定在有利于反应的位置上，使碰撞的取向更合适。因为反应发生在表面上，同样质量的催化剂，颗粒越细，表面积越大，效果越好。Ni、Pd、Pt、Fe 等金属都常用作表面催化剂，汽车尾气的催化转化器中就用了 Pt 和 Rh。
酶催化。 酶是生物体中的催化剂，通常是蛋白质。底物分子与酶的活性部位active site结合，形成酶–底物复合物enzyme–substrate complex，它是反应的中间体；底物在活性部位中转化为产物后离开，酶不变。
逐步看三类催化剂怎样参加反应、又重新生成：
O₃ + O → 2O₂（Cl 作催化剂）
C₂H₄ + H₂ → C₂H₆（Ni 作催化剂）
底物 → 产物（酶作催化剂）
示意图。三种情况的共同点：催化剂先参加反应，后又重新生成，所以总反应中不出现催化剂。
例题 1：催化剂对能量图的影响
某单步反应 Ea(正) = 120 kJ/mol，ΔH = −40 kJ/mol。加入催化剂后，决速步的活化能降为 70 kJ/mol。求加入催化剂前后逆反应的活化能，并说明 K 是否改变。
-
写出三者的关系。 在能量图上，逆反应从生成物爬到同一个峰顶：
-
加入催化剂前。 单位都是 kJ/mol：
-
加入催化剂后。 催化剂不改变反应物和生成物的能量，ΔH 仍是 −40 kJ/mol：
-
比较两个方向。
正、逆反应的活化能降低得一样多，两个方向同样加快。
-
K 是否改变。 反应物和生成物的能量都没变，ΔH 不变，正、逆反应同样加快，所以平衡常数 K 不变；催化剂只是让反应更快达到平衡。
例题 2：为什么用粉末状的催化剂？
用 Pt 催化某气体反应。同样质量的 Pt，做成细粉比做成一块效果好得多。用表面催化的过程解释。
- 识别：表面催化的过程。 反应物先吸附在 Pt 表面的活性位点上，在表面上反应，产物再脱附离开。反应只发生在表面。
- 比较细粉和整块。 质量相同时，颗粒越细，总表面积越大。例如把一块边长 1 cm 的立方体切成边长 1 mm 的小立方体，个数变成 1000 倍，总表面积变成 10 倍。
- 联系到速率。 表面积大 → 活性位点多 → 同一时间吸附、反应的分子多 → 速率更大。块状 Pt 内部的原子接触不到反应物，等于没有用上。
- 不变的量。 Pt 不被消耗；ΔH 和 K 不变，最终得到的产物的量也不变，只是反应更快。
- 决速步的活化能
催化剂提供活化能更低的途径。
- 正反应速率
活化能降低。
- 逆反应速率
逆反应的活化能也降低同样多。
- ΔH
起点和终点不变。
- 平衡常数 K
正、逆反应同样加快。
- 达到平衡时产物的量
平衡位置不变。
- 达到平衡所需的时间
反应更快。
- 速率常数 k
活化能降低，k 增大。
- 麦克斯韦–玻尔兹曼分布曲线的形状
温度不变，曲线不变；变的是 Ea 的位置。
- 反应物分子的平均动能
催化剂不提供能量，温度不变。
- 能量够（不低于新的 Ea）的分子所占的比例
Ea 向左移，曲线下 Ea 右边的面积变大。
常见误区
误区 1：“催化剂给反应提供能量，使分子运动得更快。” 催化剂不改变温度和分子的能量分布，它降低的是活化能：同样的分子中，有更多能达到新的、更低的 Ea。
误区 2：“催化剂使平衡向右移动，得到更多产物。” 催化剂使正、逆反应同样加快，K 和平衡位置都不变，只是更快达到平衡。
误区 3：“催化剂不参加反应。” 催化剂参加反应（在某一步被消耗），又在后面的步骤中重新生成；它也不会把吸热反应变成放热反应。
即时小测
催化剂使反应加快，最好的解释是？
催化剂改变的是途径（机理），不提供能量，也不改变温度和平衡。
在已达到平衡的体系中加入催化剂，下列说法正确的是？
正、逆反应同样加快，平衡不移动。
在麦克斯韦–玻尔兹曼分布图上，加入催化剂的效果是？
温度不变，曲线不变；催化剂降低 Ea，所以 Ea 向左移，右边的面积变大。A 是升温的效果。
示意机理：S + H⁺ → SH⁺；SH⁺ + W → P + H⁺。下列说法正确的是？
H⁺ 先消耗后生成；SH⁺ 先生成后消耗。这是酸碱催化。
用钯（Pd）催化烯烃加氢。同样质量的 Pd，用细粉比用一片 Pd 箔反应快得多。最好的解释是？
表面催化发生在催化剂表面，表面积越大，活性位点越多。
关于酶催化，下列说法正确的是？
酶–底物复合物先生成后分解，是中间体；酶本身最后重新出现。
一个吸热反应加入催化剂后，下列说法正确的是？
反应物和生成物的能量都不变，所以 ΔH 不变。
一位学生说：“催化剂通过改变反应级数来加快反应。”下列评价最好的是？
解释催化作用要用“新途径、活化能更低”。D 也不对：催化剂改变了途径和活化能。
AP 自由作答题
在 H₂O₂ 溶液中加入少量黑色粉末 MnO₂，立刻产生大量气泡；反应结束后，过滤、干燥得到的 MnO₂ 质量与加入时相同。
(a) MnO₂ 起什么作用？用实验事实说明理由。这是均相催化还是多相催化？
(b) 描述有、无 MnO₂ 时 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ 的能量图有哪些相同、哪些不同。
(c) 用同样多的 H₂O₂ 做实验，加入 MnO₂ 后最终生成 O₂ 的量和生成 O₂ 的速率各怎样变化？
(d) 用麦克斯韦–玻尔兹曼分布解释 MnO₂ 为什么使反应加快。
(e) 改用同样质量的块状 MnO₂，速率怎样变化？为什么？
参考答案与评分要点
(a) 催化剂：加入后反应大大加快，反应结束后它的质量不变，没有被消耗。MnO₂ 是固体、H₂O₂ 在溶液中，属于多相（表面）催化。
(b) 相同：起点（反应物）和终点（生成物）的能量，以及 ΔH。不同：有 MnO₂ 时途径不同，决速步的活化能更低（最高的峰更低），可能有不同的步骤数和中间体。
(c) O₂ 的量不变，由 H₂O₂ 的量决定；生成 O₂ 的速率增大。
(d) 温度不变，分子的能量分布曲线不变；MnO₂ 使活化能降低，Ea 在图上向左移，曲线下 Ea 右边的面积变大，能量够的分子所占比例增大，有效碰撞更多，所以反应加快。
(e) 速率减小。块状 MnO₂ 的表面积小，H₂O₂ 能接触的活性位点少。
评分要点： (a) 催化剂及两条证据，多相；(b) 相同点和不同点；(c) 两个结论；(d) 曲线不变、Ea 左移、比例增大；(e) 表面积。
小结
- 催化剂提供活化能更低的新途径；它在机理中被消耗又重新生成，不出现在总反应中。
- 催化剂不改变 ΔH、K、平衡位置和产物的量，不提供能量；它使正、逆反应同样加快，更快达到平衡。
- 在分布图上：曲线不变，Ea 左移，能量够的分子比例增大。
- 酸碱催化（得失质子）、表面催化（吸附、活化、反应、脱附，表面积越大越好）、酶催化（酶–底物复合物是中间体）。
AP 提示： 解释催化剂的作用时，用“提供一条活化能更低的途径（新机理）”这句话，并说明哪些不变：ΔH、K 和产物的量。题目给出分布图时，记住催化剂移动的是 Ea 线，不是曲线。