反应中的催化剂

本页只讲一条中四内容标准：反应中的催化剂。它直接承接碰撞理论，因为催化剂的工作方式最好用你在那里遇到的活化能观念来解释。

这是高频考点，定义和「催化剂不变」的推理都反复出现，所以值得精确地学。

什么是催化剂

催化剂是一种能改变化学反应速率、而自身不发生永久化学变化的物质。在中四你着重于正催化剂，它们加快反应。

催化剂通过提供一条活化能较低的替代反应路径来工作。因为能量障碍较低，现在有更大比例的相碰粒子具有等于或大于活化能的能量。

这意味着更多碰撞有效，有效碰撞的频率上升，反应速率增大，而这一切都不消耗催化剂。

能量图

在能量剖面图上，催化剂降低峰顶，活化能，同时让反应物和生成物的能量、因而总的能量变化（ΔH），保持不变。

催化剂提供一条从反应物到生成物的较低能量路线。它不向粒子提供能量，也不改变反应整体放出或吸收多少能量。

这是最常考的一点：催化剂降低活化能；它不「给能量」，也不改变 ΔH。

催化剂的特征

你应能说出这些性质：

• 它不被消耗，在结束时以不变的化学性质和相同质量被回收。
• 它是专一的，某一催化剂通常只对一个反应或一类反应有效。
• 只需少量就能催化大量的反应物。
• 它在粉末形态下更有效，因为较大的表面积给出与反应物更多的接触。
• 它不改变生成产物的量，只改变生成它所用的时间。在图上，被催化的反应给出一条更陡的曲线，达到相同的最终体积或质量。

常见例子

• 二氧化锰 MnO₂，催化过氧化氢分解成水和氧气：2H₂O₂ → 2H₂O + O₂。
• 铁，用于哈柏法制氨。
• 五氧化二钒 V₂O₅，用于接触法制三氧化硫。
• 镍，用于植物油的氢化以制造人造牛油。
• 酶，生物催化剂，加快生物体内的反应。

例题

题目。 把 2.0 g 二氧化锰粉末加入一瓶过氧化氢溶液。

氧气迅速放出。反应完成后，把混合物过滤。

(a) 说出二氧化锰的作用。(b) 说出并解释通过过滤回收的二氧化锰的质量。

(c) 说出催化剂对所产生氧气总体积的影响。

第一步，找出作用。 二氧化锰是催化剂；它加快过氧化氢的分解。

第二步，推断它的质量。 催化剂在反应中不被消耗，所以它被原样回收。

第三步，说出回收的质量。 回收的质量是 2.0 g，与加入的质量相同。

第四步，推断产物。 催化剂只改变速率，不改变产物的量，所以氧气的总体积不变，只是产生它的时间更短。

答案。 (a) 它充当催化剂，加快过氧化氢的分解。

(b) 回收 2.0 g，因为催化剂不被消耗、在结束时化学性质不变。(c) 所产生氧气的总体积与没有催化剂时相同；催化剂只是使氧气生成得更快。

练习题

题目。 一名学生用相同量的溶液把过氧化氢分解两次：一次不加催化剂，一次加二氧化锰。

两次都画成氧气体积对时间的曲线。(a) 用文字描述两条曲线如何比较。

(b) 用碰撞理论解释催化剂如何增大速率。

答案。 (a) 被催化的曲线在开始时更陡（速率更快）并更早变平，但两条曲线达到相同的最终氧气体积，因为每次分解的过氧化氢量相同。(b) 催化剂提供一条活化能较低的替代路径，所以更大比例的相碰粒子具有等于或大于活化能的能量。这增大有效碰撞的频率，所以反应进行得更快。

考试提示

两句关于催化剂的话能拿到易得分数，所以要一字不差地记住：催化剂**「提供一条活化能较低的替代路径」，并且「不被消耗；以相同质量、不变的化学性质被回收」**。绝不要说催化剂「增加能量」或「提高活化能」，也绝不要说它「产生更多产物」。

当图题出现时，被催化的曲线更陡但结束在与未催化曲线相同的高度，就这样画出来并说明原因。

在考试压力下推断催化剂

许多催化剂题其实是「不变」观念的变装测试。如果告诉你开始时催化剂的质量、问结束时的质量，答案是相同的质量，因为它不被消耗。

如果问催化剂是否改变产量或产物的最终体积，答案是不会，它只改变速率。如果问它如何工作，答案总是活化能路线：障碍更低意味着更多粒子越过它，所以更多碰撞有效。

把每一个答案锚定在那三个事实上，质量不变、产物的量不变、活化能更低，即使在陌生的情境里（包括工业例子）也能保持正确。

把这条标准与真实过程联系起来也有帮助。哈柏法里的铁和接触法里的五氧化二钒都是催化剂，使工业反应快得足以合乎经济，然而那金属或氧化物并不被消耗、可以重复使用。

在实验室（MnO₂ 与过氧化氢）和工业里看到同一原理，能强化「催化剂改变反应的速度、从不改变其化学」这一点。

本节定位

这是**反应速率**一章的内容标准 7.4，把碰撞理论应用到催化剂上。同样的催化剂在后面章节的工业化学里再次出现，所以现在把观念巩固好会在整个 SPM化学（4541）里回报你。

用本章**复习笔记来加强，用例题**练习图题和计算题。在我们的在线一对一 SPM化学课上，以英文授课，每小时 RM50 起，我们的老师带学生把「质量不变、产物相同、活化能更低」这三件套练到自动，因为它本身就能回答大多数催化剂题。

快速回顾

• 催化剂通过提供一条活化能较低的路径来加快反应。
• 它不被消耗，质量相同、结束时化学性质不变。
• 它不改变 ΔH 或产物的量，只改变速率。
• 例子：MnO₂（H₂O₂）、铁（哈柏法）、V₂O₅（接触法）、镍（氢化）、酶。