一、定義
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亦稱為觸媒，是一種會參與反應，可使反應速率變快的物質，
但反應前後本身質量、化性均不變，但物性（如：形狀、密度）則略為改變。
【註】「抑制劑」舊稱「負催化劑」，為可使反應速率變慢的物質，高中課程不討論。
二、原理
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反應能量圖觀點：催化劑與反應物作用時，形成能量較低的活化複合體，
提供活化能較低的反應途徑。
粒子動能分布曲線觀點：使低限能下降，故動能超過低限能的粒子數增加， 有效碰撞頻率增加，反應速率變快。 -
（圖示重點文字）
反應能量圖：活化能下降；未添加催化劑的反應途徑；添加催化劑的反應途徑；反應物；生成物；反應過程；E1、E2。
粒子動能分布圖：未添加催化劑反應的低限能；添加催化劑反應的低限能；門檻降低了；增加的粒子數；粒子數；動能。
催化劑不會改變粒子動能分布曲線，但催化劑使低限能下降，超越低限能的粒子數增加，有效碰撞頻率增加，反應速率變快。
| 觀點 | 照實敘述 |
|---|---|
| 反應能量圖觀點 |
催化劑與反應物作用時，形成能量較低的活化複合體，提供活化能較低的反應途徑。 改變反應途徑，形成能量較低的活化複合體，使活化能降低（E1→E2），反應速率變快。 正、逆反應的活化能等量降低，正、逆反應速率等量增加。 |
| 粒子動能分布曲線觀點 |
使低限能下降，故動能超過低限能的粒子數增加，有效碰撞頻率增加，反應速率變快。 催化劑不會改變粒子動能分布曲線，但催化劑使低限能下降，超越低限能的粒子數增加，有效碰撞頻率增加，反應速率變快。 |
三、催化劑的性質與影響
- 催化劑僅需少量即可加速反應的進行。
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催化劑可改變反應途徑，但無法改變反應物與生成物種類，故反應熱不受影響。
【註】有極少數的反應會因催化劑的不同，而產生不同的生成物。
CO + 3H2 (Ni) → CH4 + H2O ； CO + 2H2 (Cr2O3、ZnO) → CH3OH - 催化劑具有選擇性：即某種催化劑可催化特定反應，但不一定能影響其他反應。
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加入催化劑與升高溫度的效應比較：
【註】有效碰撞分率＝ 有效碰撞頻率 / 總碰撞頻率
| 因素 | 粒子動能分布曲線 | 活化能（低限能） | 有效碰撞頻率 | 總碰撞頻率 | 有效碰撞分率 |
|---|---|---|---|---|---|
| 加入催化劑 | 不移動 | 降低 | 增加 | 不變 | 增加 |
| 升高溫度 | 向右移動 | 不變 | 增加 | 增加 | 增加 |
四、催化反應的種類
- 均相催化反應：催化劑和反應物在同一相中反應，可均勻混合。（通常發生於氣相或液相）
- 非均相催化反應：催化劑和反應物在不同相中反應。（催化劑通常為固體）
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例 哈柏法製氨非均相催化過程示意圖：
(a) 氫氣與氮氣吸附在催化劑表面的活性部位上
(b) 分子共價鍵變弱，分解成高反應性的原子
(c) 高反應性的原子結合成 NH3 並脫離催化劑（催化劑可重複使用） -
小提醒－催化劑中毒：
固態催化劑使用一段時間後，雜質可能沾附在催化劑表面上，導致催化劑逐漸失去活性，稱為催化劑中毒。例：汽油燃燒不完全時會產生碳粒，累積在汽車觸媒轉化器內，將使觸媒失去活性。
| 項目 | 均相催化反應 | 非均相催化反應 |
|---|---|---|
| 意義 | 催化劑和反應物在同一相中反應，可均勻混合。（通常發生於氣相或液相） | 催化劑和反應物在不同相中反應。（催化劑通常為固體） |
| 特性 |
(1) 增加催化劑的濃度（或分壓），可使反應速率變快。 (2) 優點：較易增加碰撞頻率，催化效率佳。 缺點：催化劑不易回收重複使用。 |
(1) 增加接觸面積可使反應速率變快，故固體催化劑常製成粉末或多孔結構。 (2) 缺點：催化劑與反應物無法互溶，催化效率較差。 優點：易回收重複使用。 (3) 工業上許多製程常採用非均相催化反應。 |
| 常見實例 |
(1) 雙氧水分解 2H2O2(aq) (Br-(aq)) → 2H2O(l) + O2(g) 2H2O2(aq) (Fe2+(aq)、Fe3+(aq)) → 2H2O(l) + O2(g) （雙氧水滴加在傷口上，因血液中含有亞鐵離子，會加速其分解） (2) 臭氧層破壞 2O3(g) (Cl(g) 或 NO(g)) → 3O2(g) |
(1) 雙氧水分解 2H2O2(aq) (MnO2(s)) → 2H2O(l) + O2(g) (2) 哈柏法製氨 N2(g) + 3H2(g) (Fe(s)) → 2NH3(g) (3) 汽車排氣管的觸媒轉化器以鉑或鈀金屬氧化物固體為催化劑，可加速將廢氣中的一氧化碳、氮的氧化物及碳氫化合物轉化成水、二氧化碳及氮氣後釋放。 |
五、酵素催化反應
- 意義：酵素是生物體中的催化劑，又稱為酶。多數生物體因無法承受高溫，故主要是以催化劑的方式來提升反應速率。
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特性：
(1) 酵素是由蛋白質所組成的巨大分子，其具有催化能力的部分稱為活性中心。
(2) 與酵素作用的物質，稱為受質；酵素對於受質具有高度的專一性，即特定的酵素只能催化特定的受質。
例① 澱粉水解酶就只能催化澱粉水解反應，但無法作用於同為多醣的纖維素。
例② 好發於亞洲人的乳糖不耐症，也是由於體內缺乏乳糖酶的緣故。
(3) 酵素對溫度和反應溶液的 pH 值均非常敏感。一般而言，溫度約為 25°C～45°C、pH 值約為 6～8 時，其活性較高。 大部分的酵素在 pH 值小於 5 時會失去活性，但也有例外，如胃蛋白酶在 pH 值約為 2 時活性較高。 -
應用：
(1) 酵素化學：研究酵素如何催化生化反應進行的科學，對於疾病的緣由及開發新藥，扮演重要的角色。
例 藥廠用特定的合成酵素合成抗生素。
(2) 工業和日常生活：
例① 利用酵母菌將葡萄汁發酵來釀製葡萄酒。
例② 洗衣粉中添加酵素以加速分解附著在衣物上的蛋白質、澱粉或脂肪漬。
例③ 在嫩肉粉中加入木瓜蛋白酶，能加速蛋白質分解為較小的分子，使肉的口感更嫩滑。
例④ 過氧化氫酶能催化過氧化氫，使其分解為水及氧氣。目前廣泛用於食品、紡織工業及用於以雙氧水清潔消毒後的隱形眼鏡，藉此除去殘留的過氧化氫。
【註】影響反應速率因素總結：r = k[反應物]n；影響 k 的因素：反應物本性、溫度、催化劑、接觸面積（非均相反應）；影響 [反應物]：濃度（壓力）。