TÊN MÔN HỌC: HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC VÀ XÚC TÁC 1 Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương ThS Nguyễn Văn Phương Chương 3: ĐỘNG HỌC VÀ XÚC TÁC 2 v Hiểu thế nào là tốc độ
Trang 1TÊN MÔN HỌC:
HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
CHƯƠNG 3:
ĐỘNG HỌC VÀ XÚC TÁC
1
Giảng viên:
ThS Lê Nguyễn Kim Cương
ThS Nguyễn Văn Phương
Chương 3: ĐỘNG HỌC VÀ XÚC TÁC
2
v Hiểu thế nào là tốc độ phản ứng, xúc tác.
v Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.
v Vận dụng để áp dụng trong kỹ thuật môi trường
Mục tiêu:
3.1 !NG H∃C
3.2 CH%T XÚC TÁC
3.3 PH∋N (NG XÚC TÁC C∗A ,NG TH
3.4 PH∋N (NG XÚC TÁC D0 TH
3.5 CÁC XÚC TÁC TH)2NG DÙNG TRONG
K4 THU7T MÔI TR)2NG
V n t # c ph % n & ng (∋) c ( o b + ng ( bi / n thiên
c 1 a n 3 ng ( trên 1 (∗ n v 4 th 6 i gian.
Ví d 7 : A + B = AB
v T c ( ph % n & ng t 8 i m 9 i th 6 i ( i ; m t nào ( ó s < là:
V = k [A].[B]
v Trong ( ó:
k: h = s # t l = ho ≅ c h + ng s # t # c ( ph % n & ng [A], [B]: n 3 ng ( phân t Α ch Β t A và B
Trang 2Tr∋6ng h)p tΧng quát:
mA + nB = A m B n
v V n t#c ph%n&ng s<là: V = k [A]m.[B]n
v m, n: h=s#t>l∋)ng c1a các chΒt tham gia
ph%n&ng
H % ng s K
H+ng s# t#c ( k có ý ngh∆a v t lý xác
(4nh Nó b+ng v n t#c c1a ph% &ng hóa
hΕc khi n3ng (.c1a m9i chΒt tham gia ph%n
&ng b+ng(∗n v4, có ngh∆a b+ng 1 mol/l ho≅c khi tích c1a nhΦng(∗n v4 (ó b+ng n3ng(
3.1.1.1 nh h ng c a n ng
Nh∋v y t#c (.c1a ph% &ng hóa hΕcΓ
nhi=t (.không(Χi thì t> l=thu n vΗi tích s#
n3ng ( c1a các chΒt tham gia ph%n &ng,
n3ng(.m9i chΒt(∋)c lΙy thϑa b+ng các h=
s#t> l∋)ng c1a các chΒt trong ph∋∗ng trình
ph%n&ng
3.1.1.2 nh h ng c a nhi t
v Khi tΚng nhi=t (., v n t#c c1a ph%n &ng
tΚng
v B+ng thΛc nghi=m ng∋6i ta(ã ch&ng minh
(∋)c r+ng: “khi nhi=t ( tΚng lên 100C thì
v n t#c tΚng lên kho%ng 2 (/n b#n lΜn”
Νó là quy tΟc c1a Vant-Hoff
Trang 33.1.1.3 nh h ng c a ch t xúc tác
ChΒt xúc tác là chΒt khi có m≅t trong môi
tr∋6ng ph%n&ng:
§ Làm thay (Χi v n t#c ph%n &ng (tΚng
ho≅c gi%m) ho≅c có tác d7ng làm kích
thích ph%n&ng
§ Sau khi ph%n &ng k/t thúc, chΒt xúc tác
vΠn không thay (Χi vΘ l∋)ng ho≅c vΘ
m≅t lý, hóa hΕc
3.1.2 Định luật tác dụng khối lượng, tích số tan – định luật phân bố
A + B C + D
V1= k1[A].[B]
V2= k2[C].[D]
v Ở trạng thái cân bằng: V1 = V2
Do đó: k1[A].[B] = k2[C].[D]
1 0
3.1.2.1 Định luật tác dụng khối lượng
[ ] [ ] [ ] [ ]
1
2
k
k
k = A B = , k là hằng số cân bằng
v D8ng tΧng quát có th; bi;u diΡn:
aA + bB cC + dD
(ó là n.i dung c1a (4nh lu t tác d7ng kh#i
l∋)ng
[ ] [ ] [ ] [ ]
.
k
⇒ =
3.1.2.1 Định luật tác dụng khối lượng
“Đối với một phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng hoá học tỷ số giữa tích nồng độ các sản phẩm thu được và nồng độ các chất tham gia phản ứng với nhiệt độ cho trước là một hằng số và nồng độ của mỗi chất được lũy thừa hằng số tỷ lệ tương ứng”.
Trang 43.1.2.2 Tích số tan
Tích số tan là đại lượng đặc trưng cho tính
tan của chất điện li khó tan
1 3
Xét dung dịch bão hòa của muối ít tan AgCl:
AgCl Ag + + Cl
Ag Cl k
AgCl
+ −
=
Trong đó: [AgCl] nồng độ AgCl đã hòa tan
[Ag + ].[Cl - ] = k.[AgCl] = Tt Tích nồng độ ion trong dung dịch bão hòa của chất
điện li ở một nhiệt độ thích hợp là một hằng số Hằng số đó
được gọi là “tích số tan của chất đó”.
3.1.2.3 nh lu t phân b
v “T> s# giΦa n3ng (.c1a m.t chΒt trong hai chΒt lΣng không hòa tr.n lΠn nhauΓm.t nhi=t (.xác (4nh là m.t h+ng s#không ph7
thu.c vào s#l∋)ng tuy=t (#i ho≅c t∋∗ng(#i
c1a chΒt(óΓtrong các dung môi”
v Trong kΤ thu t xΑ lý n∋Ηc th%i quá trình tách chΒt tan nh6 m.t dung môi khác gΕi là quá trình trích ly
3.2 CH T XÚC TÁC
SΛ xúc tác: hi=n t∋)ng bi/ (Χi t#c (
ph%n &ng hóa hΕc hay kích (.ng chúng do
nhΦng chΒt mà cu#i cùng vΠn (∋)c ph7c
h3i ChΒt(∋)c thêm vào gΕi là chΒt xúc tác
3.2.1 Khái ni m
Trang 5v NhΦng chΒt xúc tác làm tΚng t#c (.
ph%n&ng(∋)c gΕi là ch8t xúc tác d:;ng.
Ng∋)c l8i, gΕi là ch8t <c ch= (inhibitor)
hay chΒt xúc tác âm
v Có tr∋6ng h)p chΒt xúc tác (∋)c hình
thành trong th6i gian ph%n &ng Νó là ph?n
<ng t≅xúc tác.
3.2.2 Phân lo i quá trình xúc tác
q Quá trình xúc tác ng th : Là quá trình
diΡn ra mà tΒt c%chΒt ph%n&ng và xúc tác
Γcùng pha vΗi nhau
q Quá trình xúc tác d th :
ChΒt xúc tác và chΒt ph% &ng Γ khác pha nhau và ph% &ng xúc tác diΡn ra trên
b m≅t phân chia pha
Hình 3.1 Υnh h∋Γng c1a chΒt xúc tác 3.2.3 c tính chung v tác d ng c a xúc
tác
v Ph%n &ng xúc tác (3ng th;:
TΜn s# va ch8m c1a phân tΑ Entropy ho8t hóa
SΛ(4nh h∋Ηng c1a va ch8m
v Ph%n &ng xúc tác d4 th;: Entropy ho8t hóa
S# l∋)ng các trung tâm ho8t (.ng dΠn
(/n ph%n &ng
3.2.3.1 S t ng tác c a ch t xúc tác v i ch t ph n Χng làm gi m n ng l ng ho t ng c a ph n Χng.
Trang 62 1
TH U Y Ế T VA CH Ạ M H O Ạ T ĐỘ N G
EOS
Chỉ có va chạm
giữa các tiểu phân
hoạt động mới tạo
phản ứng.
E
E *
E * ↓→ số tiểu phân
hoạt động ↑→ v↑.
2 2
TH U Y Ế T VA CH Ạ M H O Ạ T ĐỘ N G
Sự định hướng không gian giữa các tiểu phân va chạm cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.
EOS
Định hướng thuận lợi Định hướng không thuận lợi
I - + CH 3 –Br → I ……. CH 3 ……. Br →I _ CH 3+Br
3.2.3.2 Tính chất chọn lọc của chất xúc tác
Theo Oswald, chất xúc tác lý tưởng là
những chất mà thực tế chỉ tăng tốc độ cho một
phản ứng đặc biệt khi bên cạnh có nhiều phản
ứng song song Những phản ứng đó phải là
thuận nghịch tại quá trình xảy ra đó, bởi vậy
các chất xúc tác lý tưởng phải hoàn toàn giải
phóng sau khi phản ứng kết thúc.
3.2.3.2 Tính ch t ch n l c c a ch t xúc tác
v Tính chΒt chΕn lΕc(∋)c(≅c tr∋ng bΓi:
- SΛ lΛa chΕn c1a chΒt ph% &ng xác
(4nh
- Tác d7ng có (4nh h∋Ηng bΓi nhΦng nhóm xác(4nh (tính chΒt chΕn lΕc nhóm hay chΕn lΕc tác d7ng) c1a chΒt xúc tác
- Ví d7: xem giáo trình
Trang 73.2.3.3 S khu ch tán
Trong xúc tác d4 th;: x%y ra qua 5 giai
(o8n: Chuy;n(/n bΘm≅t xúc tác, hΒp ph7,
ph% &ng, chuy;n ra khΣi bΘ m≅t, gi%i
phóng s%n phΩm
Khu/ch tán ngoài chuy;n chΒt (/n bΘ
m≅t xúc tác, khu/ch tán trong chuy;n chΒt
(/n bΘ m≅t trong thΛc hi=n nh6 sΛ khu/ch
tán dΕc theo mao qu%n Ph%n &ng diΡn ra
ti/p theo sau sΛkhu/ch tán
I. Chuy;n chΒt(/n bΘm≅t phân chia pha
II. HΒp ph7 ít nhΒt 1 trong nhΦng chΒt ph%n
&ng
III. Ph% &ng hoá hΕc trên bΘm≅
IV. Gi%i hΒp ph7các s%n phΩm ph%n&ng
V. Chuy;n s%n phΩm ra khΣi bΘm≅t
Quá trình ph n <ng xúc tác dΑ thΧ
∆:Εc phân thành 5 giai ∆oΦn:
d
−
=
−
=
=
v Ph?n <ng hoá hΓc
SΛ chuy;n hoá v t chΒt d∋Ηi %nh h∋Γng
c1a chΒt xúc tác là ph%n &ng b c nhΒt
W hh = k.S.C bm
v Khu=ch tán
SΛ khu/ch tán (∋)c mô t% b+ng p trình
Frick:
Khu ch tán ngoài
x c t
D
d
d
* D
* S d
d
−
=
v Nếu k >> βthì K = βcó nghiã
là tốc độ phản ứng xác định bằng
sự khuếch tán (khuếch tán khống chế) Đó là quá trình dẫn vào miền khuếch tán ngoài
v Nếu phản ứng diễn ra chậm, k
<<β thì K = k tức là tốc độ phản ứng xác định sự chuyển hoá hoá học và người ta nói quá trình diễn
k k k
β β
×
= +
D S
β δ
×
=
Trang 8v Quá trình diΡn ra trong miΘn (.ng hΕc
trong
v Khu/ch tán trong kh#ng ch/quá trình
Γc tài liΙu
3.2.3.5 Quan h gi a s xúc tác
và cân b ng nhi t ng h c
không tΛ gây
nên ph%n &ng,
không làm d ch
chuy n cân
b ng mà chΞ có
ngΟn th6i gian
(8t cân b+ng
3.2.3.6 nh h ng c a i u ki n bên ngoài
lên s xúc tác
v Nhi= (
v Áp suΒt
v T#c ( th; tích, th6i gian l∋u giΦ chΒ
ph%n &ng trên bΘ m≅t xúc tác
v Dung môi
Trang 93.3 PH N NG XÚC TÁC C A NG TH
v Xúc tác (3 ng th ; là ch Β t xúc tác cùng pha v Η i các ch Β
tham gia ph % n & ng
v Ph % n & ng xúc tác (3 ng th ; ch Ξ x % y ra trong pha khí và
pha l Σ ng; không có xúc tác (3 ng th ; trong pha r Ο n
Phân ra thành các loΦi:
v Ph % n & ng xúc tác axit – baz ∗ (các axit và baz ∗ có tác
d ng xúc tác).
v Ph % n & ng xúc tác oxy hoá – kh Α (xúc tác là h ) p ch Β
c 1 a kim lo 8 i có hoá tr 4 thay (Χ i).
v Ph % n & ng xúc tác ph & c (xúc tác là ph & c ch Β t c 1 a kim
lo 8 i chuy ; n ti / p).
v Ph % n & ng xúc tác (3 ng th ; trong pha khí: xúc tác b Γ i
các khí ho 8 ( ng NO2, Br2,… men.
v 2H2O2(dd) → 2H2O(l) + O2(k) r Β t ch m
v Khi có m ≅ t ion Br - thì p ∋ di Ρ n ra r Β t nhanh:
2Br - (dd) + H2O2(dd) + 2H + (dd) → Br2(l) + 2H2O(l).
Br 2 (l) màu nâu.
Br2(l) + H2O2(aq) →2Br-(aq) + 2H+(aq) + O2(k).
Br - là xúc tác vì nó (∋) c hoàn tr % l 8 i Γ giai ( 8 n cu # i
c 1 a ph % n & ng
Ví d7 xúc tác (3ng th;
Ph % & ng xúc tác d 4 th ; là ph % & ng mà trong ( ó ch Β t xúc tác và ch Β t ph % & ng là hai pha khác nhau, và ph % & ng
x y ra trên b Θ m ≅ t phân chia gi Φ a 2 pha.
Có th ; chia thành các ph % & ng xúc tác d 4 th ; sau:
Trang 10Hi = n nay trong k Τ thu t c Ι ng nh ∋ trong phòng thí
nghi = m ta th ∋6 ng g ≅ p ch Β t ph % & ng là khí và ch Β t
xúc tác là r Ο n.
Ví d 7 : ph % & ng t Χ ng h ) p Vinyl clorua (VCM)
Nhiều pư được xúc tác trên những bề mặt của chất rắn thích hợp
EOS
Cơ chế xúc tác dị thể
Xúc tác dị thể
• Quá trình (3ng th; ti/n hành không liên
t7c nên nΚng suΒt thi/t b4 kém.Quá trình d4
th; ti/n hành ph% &ng liên t7c, nΚng suΒt thi/t b4cao h∗n hΖn, dΡdàng tΛ (.ng hóa
• Quá trình d4 th; thu h3i xúc tác dΡ h n nhiΘu so vΗi quá trình(3ng th;
• NΚng l∋)ng ho8t hóa cho quá trình d4th;
bé h∗n nΚng l∋)ng ho8t hóa cho quá trình
(3ng th;, do (ó v n t#c ph% &ng d4 th;
nhanh h∗n
T i sao chuy n t ng th sang d th :
có 3 lý do chính
Trang 11B ng so sánh n ng l ng ho t hóa c a ph n ng d th
(E d th ) v i n ng l ng ho t hóa c ng c a ph n ng ó ti n
hành trong môi tr ng ng th (E ng th ):
c tài li u
3.4.1 Trung tâm ho8t (.ng c1a xúc tác d4
th;
3.4.2 Thuy/t các trung tâm ho8t (.ng c1a Taylor
3.4.3 Thuy/t(a v4c1a Balan(in 3.4.4 Thuy/t (i=n tΑ do Roginski s.z, Volkenstein F.F và nnk phát hi=
2.4.4 Thuyết trung tâm hoạt động của Taylor 2.4.5 Thuyết đa vị của Balandin
Trang 12{ Tác d7ng xúc tác có liên quan (/n công
thoát (i=n tΑ khΣi bΘ m≅t ti/p xúc cΙng nh∋
vΗi sΛ t3n t8i cΒu trúc lΗp d c1a các nguyên
tΑch∋a hoàn chΞnh
{ Có th; gi% (4nh r+ng c∗ ch/ t∋∗ng tác c∗
b%n c1a nhiΘu quá trình xúc tác d4 th; trên
trung tâm ho8t(.ng c1a bΘm≅t ti/p xúc liên
h=vΗi sΛtrao (Χi(i=n tΑ giΦa các chΒt ph%n
&ng và xúc tác
3.5.1 Phân lo8i xúc tác 3.5.2 Xúc tác Zeolit 3.5.3 Xúc tác rΟn 3.5.4 Υnh h∋Γng c1a (iΘu ki=n bên ngoài lên sΛ xúc tác
3.5.1 Phân lo i xúc tác
v Các axít m 8 nh
v Xúc tác baz ∗
v Xúc tác t 8 o ph & c.
3.5.2 Xúc tác Zeolit
v Xúc tác zeolit là m.t lo8i xúc tác aluminosilicat (∋)c dùng nhiΘu trong các
ph%n&ng hΦu c∗và vô c∗
v Zeolit bΘn nhi=t, bΘn vΗi chΒt (.c, bΘ
m≅t riêng lΗn (∼ 800m2/g) bΘn c∗ và có kh%
nΚng trao(Χi ion cao
Trang 133.5.3 Xúc tác r n
Xúc tác rΟn g3m c% chΒt mang ChΒt
mang không có tác d7ng xúc tác, nó làm
nΘ (; phân b# các phΜn tΑ ho8t (.ng xúc
tác và các thành phΜn khác lên ChΒt mang
có tác d7ng t8o cΒu trúc x#p, có vai trò làm
bΘn pha ho8t (.ng xúc tác và nhiΘu tác
d7ng khác