工業化學 / 子課題
催化作用和工業過程
Catalysis in Industrial Processes
催化劑特性、對活化能與可逆反應的影響，及重要工業催化例子
核心考點 (Knowledge Groups)
1. 催化劑特性與活化能
考評提示：DSE 常考催化劑降低 Eₐ 及可逆反應平衡位置不變
- 催化劑：加快反應速率而自身在反應前後化學性質與質量不變的物質；在反應過程中可能短暫參與，但最終回復。
- 機制：催化劑提供另一反應途徑，其活化能 Eₐ 較低 → 根據麥克斯韋－波爾茲曼分佈，具足夠能量的粒子比例增加 → 速率上升。
- 催化劑不影響平衡位置（ΔH 及 K 不變），僅同時加快正、逆反應速率，使反應較快達到平衡。
2. 工業催化例子
考評提示：DSE 常考哈柏法 Fe、接觸法 V₂O₅、發酵酶
- 哈柏法：N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)，ΔH < 0；催化劑為細分 Fe（含 K₂O／Al₂O₃ 作促進劑），約 450°C、200 atm。
- 接觸法（製 H₂SO₄ 中 SO₂ → SO₃）：2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)；催化劑為 V₂O₅，約 450°C、1–2 atm。機理：SO₂ + V₂O₅ → SO₃ + V₂O₄，然後 V₂O₄ + ½O₂ → V₂O₅（再生）。
- 酒精發酵：C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂，酵母菌 (yeast) 中之酶（如 zymase）為生物催化劑，約 25–35°C、pH 4–5。
- 催化劑中毒：催化劑表面吸附雜質（S、Pb）→ 活性下降，故原料須高度純化。
常見題型 · scoring points
描述催化劑的特性並解釋其作用機制
- 特性：(1) 少量即可加快反應；(2) 本身在反應前後化學性質及質量不變；(3) 不改變反應的 ΔH 及平衡位置；(4) 具選擇性。
- 機制：提供一條活化能較低的反應途徑。
- 動力學：較低 Eₐ → 具足夠能量的粒子比例（遵循 Maxwell–Boltzmann 分佈）增加 → 有效碰撞頻率上升 → 速率加快。
- 不等於降溫／加濃度：催化劑改變反應途徑，而非改變粒子能量分佈。
繪畫有催化劑及無催化劑之能線圖並標示 Eₐ
- 橫軸：反應進程；縱軸：能量。
- 無催化劑：反應物能量 → 上升至一高峰（Eₐ 無催化）→ 下降至生成物。
- 有催化劑：同一反應物 → 較低的峰（Eₐ 催化）→ 同一生成物。
- 兩條曲線的起點與終點相同，ΔH 不變；催化劑只降低 Eₐ。
解釋催化劑對可逆反應的影響
- 催化劑同等程度加快正、逆反應速率。
- 平衡位置不變（K 不變，因它只取決於溫度）。
- 唯一影響：較快達到平衡狀態。
- 故不能用催化劑提高產率（yield），只能縮短達平衡所需時間。
描述哈柏法中鐵催化劑的作用及操作條件
- 反應：N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)，ΔH = −92 kJ mol⁻¹。
- 催化劑：細分 Fe（含 K₂O／Al₂O₃ 促進劑），提供 N₂ 及 H₂ 吸附點以削弱 N≡N 鍵。
- 條件：約 450°C（折衷：溫度低有利產率但速率慢）、200 atm（高壓向產物方向移動）。
- 催化劑使反應能在較低溫度下以可接受速率進行，平衡產率亦較可接受。
解釋接觸法中 V₂O₅ 的催化循環
- 總反應：2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g)，ΔH < 0。
- 步驟一：SO₂ + V₂O₅ → SO₃ + V₂O₄（V 由 +5 還原為 +4）。
- 步驟二：V₂O₄ + ½O₂ → V₂O₅（V 再氧化回 +5）。
- 整體：V₂O₅ 被再生 → 符合催化劑定義（不被消耗）。條件：450°C、1–2 atm。
說明酶作為生物催化劑在酒精發酵中的角色
- 反應：C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂，由酵母中之 zymase 複合酶催化。
- 條件：25–35°C、厭氧、pH 4–5；過高溫度令酶變性失效。
- 特性：酶具極高催化效率及高選擇性（只作用於特定底物）。
- 應用：釀酒、生產生物乙醇。
解釋「催化劑中毒」並舉例
- 催化劑中毒：少量雜質牢固吸附於催化劑表面，使其活性點失效。
- 例一：哈柏法中 H₂S、CO 會毒害 Fe 催化劑。
- 例二：汽車三元催化器之 Pt／Pd／Rh 催化劑會被 Pb 毒害，故須使用無鉛汽油。
- 對策：原料高度純化；必要時更換或再生催化劑。
分析以下情境：為何在哈柏法中使用催化劑後不能提高 NH₃ 的理論產率
- 哈柏法為可逆放熱反應：N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃，ΔH < 0。
- 催化劑（Fe）只提供較低 Eₐ 的反應途徑，同時加快正、逆反應速率。
- 平衡常數 K 只取決於溫度，與催化劑無關。
- 故理論產率（即平衡產率）不變；催化劑僅縮短達平衡所需時間，使生產更有經濟效益。
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關於本文：由 DSE 神器團隊整理，資料以香港考試及評核局（HKEAA）最新公佈為準，含歷屆考評建議引用。最後更新：2026 年 4 月。想隨時隨地溫習？下載 DSE 化學神器 App。
