化学自习室移动版

1. 催化剂的根本作用

催化剂的核心作用是降低反应的活化能，从而加快化学反应速率。它通过提供一个能量上更有利的反应路径来实现这一点。

关键点： 催化剂在反应的开始和结束时，其本身的化学性质和数量不发生变化。它不能启动一个热力学上不允许发生的反应（即 ΔG > 0 的反应）。

2. 平衡产率由热力学决定

一个化学反应最终能达到的平衡产率（或平衡转化率）是由反应本身的热力学性质决定的，具体来说就是反应的吉布斯自由能变（ΔG） 和平衡常数（K）。

ΔG = -RT lnK

对于一个给定的反应，在确定的温度和压力下，其平衡常数 K 是一个固定值。

催化剂无法改变反应的 ΔG 或 K，因此它无法改变反应达到平衡时的产物浓度分布（即平衡产率）。

3. 竞争反应场景分析

“竞争反应”指的是反应物可以同时通过两个或更多个不同的路径生成不同的产物。我们假设一个简化模型：

反应物 A 可以通过两条路径进行反应：

路径1（主反应）: A → B （主产物，我们希望得到的）

路径2（副反应）: A → C （副产物，我们不希望得到的）

现在分两种情况讨论：

情况一：主副反应均为热力学控制

在这种情况下，产物 B 和 C 可以快速地相互转化并最终达到一个热力学平衡。此时，最终产物中 B 和 C 的比例只取决于它们之间的相对热力学稳定性，即由 B ⇌ C 这个平衡的平衡常数决定。

不加催化剂： 反应很慢，但最终会达到一个由热力学决定的 B:C 比例。

加入催化剂： 如果催化剂同等程度地加速了 A → B 和 A → C，以及 B ⇌ C 的所有路径，那么整个系统会更快地达到同一个热力学平衡点。最终的 B:C 比例不变。

结论： 催化剂没有改变平衡产率，只是缩短了达到平衡所需的时间。

情况二：主副反应均为动力学控制

这种情况更常见。产物 B 和 C 不能相互转化，或者转化速率极慢。最终得到哪种产物，取决于哪条反应路径更快。此时，产物分布由反应的速率（动力学） 决定。

不加催化剂： 两条路径的活化能都很高，反应速率慢，产物分布取决于它们固有的反应速率常数。

加入（非选择性）催化剂： 如果催化剂同等程度地降低两条路径的活化能，那么反应会更快完成，但 B 和 C 的比例可能与不加催化剂时相同。总产率没有改变。

加入（选择性）催化剂： 这是化学工业的核心！如果我们能找到一种催化剂，它选择性地大幅降低主反应路径（A → B）的活化能，而对副反应路径（A → C）的活化能降低很少或不降低。

结果： 主反应速率被极大地加快，而副反应相对很慢。在反应物 A 消耗完之前，生成了更多的主产物 B。

重要辨析： 这里催化剂看似“提高”了主产物的产率，但它并没有改变 B 和 C 之间可能存在的那个热力学平衡。它只是通过动力学控制，在系统到达那个可能的热力学平衡之前，让我们通过快速生成并分离出主产物 B，来获得一个更高的表观产率。如果我们无限期地等待，系统最终仍会走向热力学最稳定的状态（可能B和C的混合物），但选择性催化剂让我们在动力学上“绕过”了热力学限制。

我们结合几个高考题和模拟题来看一下，高中化学是如何考查这一问题的：

典例1：（2025山东省实验一诊试题）

【答案】D

【点睛】催化剂没有改变平衡产率，只是缩短了达到平衡所需的时间；不改变反应物的产率，故A项中，时间越长，得到1-溴-2丁烯的比例越大。

典例2：（2025·安徽卷）恒温恒压密闭容器中，t=0时加入A（g），各组分物质的量分数x随反应时间t变化的曲线如图(反应速率v=kx，k为反应速率常数)。

【答案】C

【点睛】本题选择C选项。加入选择性催化剂，A生成M的反应被加速，但催化剂是在动力学上提供帮助，不影响平衡状态，所以xM，平衡不变。M是动力学优势产物，而N是热力学优势产物，假以时日，反应建立平衡，N为主产物。