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“催化”这个“黑箱”，经过科学家们的努力，从理论研究到工业应用都取得了很大发展。下面我们就说说催化反应是如何发生的，催化剂性能又是如何评价的。
现在我们举个氢气和氧气反应的例子。
我们知道，氢气是很危险的，因为它是易燃气体，燃点为574℃，在氢氧混合气中，只要给一个火花，氢气就迅速与氧气发生燃烧反应，生成水。但是常温常压下，将氢气和氧气混合在一起，即使过上几十年、几百年，它们也不会发生任何变化。如果让氢气接触贵金属铂（也叫铂金），情况就不同了，氢气燃烧过程就会在爆炸声中瞬间完成，而铂金却没有发生丝毫变化。
这就是一种催化反应，这里的铂金，就是催化剂。
氢气与氧气不同条件下相遇的结果
从科学层面如何解释呢？由于氢气燃烧形成水的过程会释放热量，因此，从氢气和氧气的反应到水的生成，是一个能量从高到低的变化过程。俗话说：水往低处流，这是一种自然规律。但是，能量从高到低只是表明了具有发生化学反应的趋势，实际的化学反应可能很慢，甚至不会发生。
因为氢气和氧气都具有比较稳定的分子结构，换句话说，化学性质不够活泼。要让两者发生化学反应，就必须从外部施加能量，以改变其稳定的分子结构，成为一种能量更高的状态（比如原子或离子等），这一状态我们称它为过渡态。
过渡态能量与反应物能量之差称为活化能，也叫能垒。
这就好比从反应物到产物之间还隔着一个山头，它阻碍了从反应物到产物的反应发生。
让我们来想象一下，假如没有这个碍事的山头的话，日常生活中的糖、酒甚至汽油等就会自动变成水和二氧化碳。自然界中随处发生各种各样的反应，世界将会变成什么样子呢？
要翻过一座山，我们现在可以修建电梯，直达山顶然后顺势而下，但这需要外部提供电力。在传说中，二郎神持有的开山斧，能开山凿洞；《西游记》中的狮驼王力量无比，享有“移山大圣”的美称，他能绕开山峰，开辟出一条比较平坦的道路。
催化剂似乎具有二郎神和狮驼王的遇山凿洞之神功，开辟出新的路径，降低了反应活化能。
二郎神开山凿洞开辟新路
催化剂为什么会使活化能降低？要把这个问题阐述清楚，科学家们引入了一个重要概念：基元反应。也就是说，化学反应并不是我们想象的那样，表示反应方程式左边的化学物质只经过一步就生成右边的产物，而往往是分步完成的。将其中的每一步反应称为基元反应，几个基元反应构成了反应机理（路径）。
比如：氢气和氧气处在574℃燃点以上的环境下，会发生爆炸式反应生成液态水。其实，反应是经过多个步骤才能完成的，主要步骤如下：
以上每一步都是氢气和氧气生成水的一个基元反应。这里的H·、·OH和O·存在未成对电子，称为自由基，它们的化学活性很高，当然寿命也很短，是一种中间态（也称为过渡态），最终我们只能看到水。
在常温常压下，不会产生以上这些自由基。所以，通常氢气在空气中是安全的。
当有催化剂时，催化剂对反应物有亲和力，产生化学吸附，形成某种中间态化合物（活化状态）。这种有较活泼的中间化合物参与的基元反应，具有更低的活化能，所以反应变得容易进行。
由于不同催化剂可通过不同的基元反应进行，从而形成不同的中间态（也称为过渡态），反应路径不一样，所需的活化能也就不同，从而催化剂的催化性能也不一样。
催化反应与非催化反应的比较
在催化反应中，催化剂不会被消耗。催化剂也称为“触媒”，触是接触的触；媒是“媒人”的媒、“媒介”的媒。
由“触媒”的命名，让人不禁联想到，催化剂在化学反应中的作用就好比媒人（红娘）一样，通过牵线让不相识的男女双方认识，相互感应而结合，促成好事的媒人便很有成就感地悄悄走开了。催化剂就像是房屋中介，买卖双方成交后，就没他的事了，继续做他的中介去了。催化剂也像生意场上的牵线人，事情谈成后不占有任何一方的股份，继续当他的下一个牵线人去了。
催化反应多种多样，主要分类方法有按反应物相
分类和按催化剂性能分类。
按催化反应系统物相的均一性可分为均相催化和非均相催化（也称为多相催化），以及介于这两种之间的酶催化反应。
催化反应分为均相催化反应和非均相催化反应
1）均相催化
均相催化指的是所有反应物和催化剂分散在一个相中，也就是说：催化剂、反应物和产物都属于同一种物理状态，都是液体，或者都是气体（同为固体时无法均匀混合，属于非均相）。
均相气相反应举例如下：
这里的气体氮氧化物（NO x ）起到催化剂的作用，促进二氧化硫（SO 2 ）快速转化为三氧化硫（SO 3 ）的反应。
这个催化反应提醒我们，在大气中同时存在二氧化硫和氮氧化物的话，能加速酸雨的形成（三氧化硫很容易与水反应生成硫酸）。可见，控制二氧化硫和氮氧化物在大气中的排放多么重要。
均相液相反应举例如下：
这里催化剂（浓硫酸，H 2 SO 4 ）、反应物（乙酸，CH 3 COOH；乙醇，C 2 H 5 OH）和产物（乙酸乙酯，CH 3 COOC 2 H 5 ）都是液体。
在以上反应中，NO x 和H 2 SO 4 都没有参与反应，只起到促进反应进行的催化剂作用。但是，这种与反应物和产物属于同一相（气相或液相）的催化剂，是无法分离和再利用的，因此在工业催化中少有应用。
2）多相催化
多相催化反应指的是催化剂和反应物处于不同的相，如表2所示。
表2 多相催化举例
多相催化反应中的催化剂有液态和固态两种，其中在工业催化应用中固体催化剂最常用。本书涉及的催化剂也多为固体催化剂。
3）酶催化
酶催化可以看作是介于均相与非均相催化反应之间的一种催化反应。
我们的生命时刻都在进行着新陈代谢，这是庞大而错综复杂的化学反应。这些化学反应都是在众多生物催化剂的作用下进行的，这些催化剂就是酶。
就像前文所介绍的，我们每个人都可以在自己体内和日常生活中发现酶催化剂的作用。比如人体内的各种酶、酿酒的酒曲等。
在业界，一般从催化活性、选择性和稳定性三个方面来评价催化剂性能。
1）催化活性
催化活性是衡量催化作用能力的指标，主要用反应速率来评价。工业上常用时空产率表示催化剂的活性，将单位时间和单位质量（或单位体积）催化剂催化所得的产物量称为时空产率。
2）选择性
选择性指的是某一种产物在所有产物中所占的比例。在化学反应中，往往生成产物不是唯一的，可能有多种物质。
例如：汽车尾气排放出来的有害气体NO，可经催化转化为N 2 和N 2 O、NO 2 等，后者仍然是有害物质，我们当然希望生成N 2 的选择性越高越好。
催化剂不同，它对反应的选择性也会不同。比如在化学工业中，以合成气（CO+H 2 ）为反应物，我们可以用不同的催化剂制得乙醇、甲醇、甲烷、二甲醚以及合成汽油等不同产品。
催化反应的选择性举例
3）稳定性
催化剂的稳定性也决定了其寿命，这对降低成本和节省资源具有重要意义。
理论上催化剂在反应中不会消耗，不发生变化，可永久使用。但实际上，催化剂由于多种原因可能会导致活性下降。所以，优选催化剂应具备以下稳定性：首先是化学稳定性，化学组成不易挥发流失；还需耐热性，确保温度变化不易导致其结构变化。另外，某些有害成分的吸附会导致催化剂活性下降，因此催化剂需要具备抗毒稳定性。除此以外，催化剂还应具备抗震抗摩擦等机械稳定性。