从热力学角度分析，许多反应在常温下能够自发进行，但是由于反应速率过慢而得不到产物，甚至有的反应在高温下速率也极慢。例如

对于这种热力学上具有可能性且有重要应用价值的反应，通过动力学上的研究找到最佳催化剂以便更容易得到需要的产物，是化学工作者研究工作的重要课题。

1.催化剂与催化反应

研究表明，将N₂和H₂混合气体加热、加压并加入铁粉，则生成NH₃的反应速率大大加快；将SO₂和O₂混合气体加热并加入V₂O₅，则迅速生成SO₃。

对于热力学上能自发的但速率过慢的反应，如果向反应体系中添加某种物质能使反应速率大大加快，那么这种物质称为催化剂。

催化剂是一种能改变化学反应速率但其本身在反应前后质量和化学组成不变的物质。

通常所说的催化剂是正催化剂，正催化剂能加快反应速率。例如，铁粉是合成氨反应的催化剂，V₂O₅是SO₂与O₂反应的催化剂。有些物质能够使化学反应变慢，称为负催化剂，如为防止橡胶等产品的老化，就需要这种负催化剂。有些物质自身无催化作用，可帮助催化剂提高催化性能，称为助催化剂。例如，在合成氨反应中加入Al₂O₃使铁粉的表面积增大，提高了铁粉的催化性能。

有催化剂参加的反应称为催化反应，催化剂改变反应速率的作用称为催化作用。

2. 催化作用原理与反应特点

催化反应一般分为均相催化反应和多相催化反应。

均相催化反应是指在反应中催化剂与反应物同处一相的反应。例如，NO₂催化SO₂氧化生成SO₃的反应，Mn²⁺催化MnO₄^-氧化H₂C₂O₄的反应，均为均相催化反应。因为催化剂与反应物同处一相，催化效果更为明显。

多相催化反应是指催化剂与反应体系不在同一相的反应，也称非均相催化反应或复相催化反应。例如，Fe催化合成氨的反应，V₂O₅催化SO₂氧化成SO₃的反应，均为多相催化反应。多相催化在化工生产中最为常见，催化剂经常是固体，反应物为气体或液体，反应在催化剂表面进行。

若反应的某种产物对反应有催化作用而不需另加催化剂，这种反应称为自催化反应。自催化反应往往都是均相催化反应。例如，高锰酸钾溶液氧化草酸的反应，还原产物Mn²⁺对反应具有催化作用。

2MnO₄^-+6H⁺+5H₂C₂O₄=10CO₂+8H₂O+2Mn²⁺

催化剂能使反应速率加快的原因是催化剂改变了反应的历程，使反应的活化能降低。例如，NO₂催化氧化SO₂的机理为

SO₂+NO₂=SO₃+NO         E_a(1)

NO+1/2O₂=NO₂        E_a(2)

总反应为

SO₂+1/2O₂=SO₃         E_a

由于活化能Ea(1)和Ea(2)都比总反应的活化能Ea小，因此NO₂可使SO₂氧化反应速率大大加快。

对于化学反应

A+B=AB       E_a

反应体系中加入催化剂(以cat表示)，则反应的历程可以表示为

A+B+cat=Acat+B             Ea (1)

Acat+B=AB+cat             Ea (2)

图3-5给出了同一反应无催化剂和有催化剂时的反应历程-势能图。曲线I为无催化剂时的反应历程-势能图。可见，无催化剂时，反应只经历了一次中间过渡态，反应物需要克服相对较高的能量Ea才能到达中间过渡态。曲线Ⅱ为加入了催化剂后的反应历程-势能图，尽管反应经历了两个中间过渡态，但经历每一个中间。过渡态所需要的能量Ea(1)和Ea(2)都要低于无催化剂时的Ea。

有催化剂参加的反应，反应的历程发生变化，从而改变了反应的活化能，使反应的活化能降低。根据阿伦尼乌斯定律，活化能减小使得反应速率大大加快。从反应历程-势能图上可知，催化剂的存在同时也降低了逆反应活化能，从而使逆反应速率也加快。

从图3-5可以看出，虽然催化剂同时降低了正反应和逆反应的活化能，使正逆反应的速率同时加快，但催化剂并没有改变反应的始态和终态。催化剂没有改变正、逆反应活化能之差，即反应热△_rH_m^Θ没有变化。因此，催化剂只改变反应速率，不改变反应平衡转化率(请参见“化学平衡”一章的内容)。

图3-5催化剂改变反应历程示意图

文章来源：《无机化学核心教程（第二版）》

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