Báo cáo tốc độ phản ứng và kỹ thuật xúc tác

Về ý nghĩa vật lý: • hằng số tốc độ K của phản ứng hóa học là tốc độ của phản ứng hóa học khi nồng độ các chất bằng đơn vị.. 1.ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ.ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG: Trong

Trang 1

BÀI BÁO CÁO NHÓM 5

Trang 2

II Khái niệm, đặc điểm chất xúc tác

III Cơ chế hoạt động

IV Các dạng xúc tác

V Ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng

VI Một số chất xúc tác phổ biến

NỘI DUNG

Trang 4

a.Dựa trên một đơn vị thể tích hỗn hợp

phản ứng.

II.PHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG.

h m

mol/

, dt

dN V

1

Trang 5

b.Dựa trên một đơn vị thể tích bình phản

, dt

dN V

1

b '

Trang 6

c.Dựa trên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp

mol/

, dt

dN S

1

Trang 7

d.Dựa trên một đơn vị khối lượng.

, dt

dN W

1

Trang 8

Ở đây i là sản phẩm nếu trường hợp i là tác chất thì

vế phải mang dấu trừ.

r =kCAp*CBq*CDr

k: hằng số tốc độ phản ứng.

II.PHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG.

Vri = Vb ri’ = S ri’’=W ri’’’

Trang 9

aAbB  eE fF 

+ Tốc độ trung bình của phản ứng v =

C/t + Tốc độ tức thời của phản ứng

v = lim v t→0 = dC/dt

III.TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG TRUNG BÌNH VÀ TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG TỨC THỜI.

Trang 10

Về ý nghĩa vật lý:

• hằng số tốc độ K của phản ứng hóa học là tốc độ của phản ứng hóa học khi nồng độ các chất bằng đơn vị.

• K chỉ phụ thuộc bản chất của chất phản ứng

và nhiệt độ, không phụ thuộc vào nồng độ.

IV.HẰNG SỐ TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG K.

Trang 11

Quan hệ giữa loại phản ứng và phương trình

động học

Trang 13

1 HẰNG SỐ TỐC ĐỘ BẬC 1.

Muốn tính hằng số tốc độ ta lấy tích phân của các biểu

thức tính tốc độ.

• Ví dụ phản ứng bậc 1 A SP

+ Ta có v = -d[A]/dt = k[A] d[A]/[A] = - kdt

+Lấy tích phân từ nồng độ đầu [A] 0 ứng với t=0 đến

nồng độ [A] ứng với thời gian t ta được:

ln[A] – ln[A]0 = -kt  ln[A] = ln[A]0 – kt

x là nồng độ chất phản ứng bị giảm đi

Trang 14

Trang 15

THỜI GIAN BÁN PHÂN HỦY

- là thời gian để tác chất mất đi một nửa lượng

chất trong quá trình phản ứng.

Trang 16

Đồ thị

Trang 17

t0=0

Vào thời điểm áp suất P=400 mmHg ta ác định được

ứng.t½ thời gian bán phân hủy của phản ứng bậc

1 không phụ thuộc vào nồng độ, và tỷ lệ nghịch với hằng số tốc độ phản ứng.

Trang 19

2 HẰNG SỐ TỐC ĐỘ CỦA PHẢN ỨNG BẬC

2.

a.TRƯỜNG HỢP 2A SẢN PHẨM.

v = -d[A]/dt= k2[A]2  k2dt = - d[A]/ [A]2

• Lấy tích phân xác định với [A]=[A]0 khi t = 0 và

gọi x là độ giảm nồng độ [A]0 sau thời gian t : [A]= [A]0-x ta có:

Trang 22

2 HẰNG SỐ TỐC ĐỘ CỦA PHẢN ỨNG BẬC 2.

b.TRƯỜNG HỢP A+B SẢN PHẨM

Trường hợp 2 : Nồng độ ban đầu [A]o # [B]

tại thời gian t thì [A]= [A]o-x, [B]= [B]o- x

Thay giá trị [A] và [B] theo nồng độ đầu và x , sau đó lấy tích

phân

Trang 23

1.ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ.

ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG:

Trong hệ đồng thể, ở nhiệt độ không đổi, tốc độphản ứng tỷ lệ

thuận với tích số nồng độ các chất phản ứng (kèm theo số

mũ thích hợp)”

Phương trình toán mô tả quan hệ của tốc độ tức thời với nồng

độ các chất phản ứng được gọi là phương trình tốc độ phản ứng hay phương trình động học

Ví dụ: a A + b B….→g G + h H ….

Tốc độ phản ứng V= k [A]m[B]n ….

V.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG.

Trang 24

Bậc phản ứng được xác định bằng thực nghiệm.Đối với chất

khí nồng độ được thay thế bằng áp suất

V= - dPA/dt = kpPAPB Đối với phản ứng dị thể, chất rắn không có mặt trong biểu

thức tốc độ phản ứng

Trang 25

2.ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT TIẾP XÚC LÊN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG.

Qua thực nghiệm cho thấy diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các tác chất càng lớn thì phản ứng xảy ra mãnh liệt và nhanh hơn.

Ví dụ: khi đốt đồng trong oxi Nếu đồng ở

dạng bột thì phản ứng sẽ xảy ra nhanh hơn so với đốt nóng một thanh đồng

V.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ

PHẢN ỨNG.

V.CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ

PHẢN ỨNG.

Trang 26

3.ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ.

Theo Van’t Hoft: Hầu hết tốc độ của các phản ứng

tăng theo nhiệt độ, cứ nhiệt độ tăng 10 độ thì tốc độ tăng lên 2-4 lần.

Trang 27

Theo Arrhenius, sự phụ thuộc của hằng số tốc độ phản ứng

Trang 28

Nhận xét:

– Ở nhiệt độ xác định E* nhỏ càng thì tốc độ phản ứng càng

lớn

– Khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng

Mối liên hệ giữa năng lượng hoạt hóa với tốc độ phản ứng

cho thấy chỉ có những va chạm xảy ra giữa tiểu phân có năng lượng dư (hoạt hóa) mới có hiệu quả

Cách xác định năng lượng hoạt hóa

Trang 29

Biến đổi sang logarit thập phân

Năng lượng hoạt hóa:

Trang 30

Trang 31

4.ẢNH HƯỞNG CỦA HẰNG SỐ TỐC ĐỘ

Nhìn chung tốc độ phản ứng tăng khi hằng số tốc độ phản

ứng tăng và ngược lại

5.ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT XÚC TÁC

ĐỐI VỚI TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG.

Tốc độ phản ứng sẽ tăng khi có mặt chất xúc tác dương

ngược lại tốc độ phản ứng giảm khi có mặt chất xúc tác

âm.phần này chúng ta sẽ tìm hiểu kĩ hơn ở phần kĩ thuật xúc tác

Trang 32

Ví dụ xét phản ứng phân hủy N2O5.

Trang 33

VI.PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VI.PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

Trang 34

Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc tốc độ phản ứng vào thời gian phản ứng.

Tốc độ trung bình:

VI.PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

Trang 35

1 Ý nghĩa của xác định tốc độ phản ứng trong đời sống

Trong cơ thể người

Sự hiện diện của những chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng Enzyme là một dạng protein của sinh vật

có khả năng xúc tác Hiểu biết về động lực học hóa

học nói chung, tốc độ phản ứng nói riêng, giúp mở ra nhiều khía cạnh khác về những quá trình quan trọng liên quan đến tốc độ như quá trình trao đổi chất Nhờ

đó, các nhà khoa học và các chuyên gia khác có thể

quyết định những việc làm tốt nhất cho con người, ví

dụ như dinh dưỡng.

VI.Ý NGHĨA CỦA VIỆC XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG.

Trang 36

kê đơn và quyết định liều lượng cho bệnh nhân.

Trang 37

1 Ý nghĩa của xác định tốc độ phản ứng

trong đời sống Trong môi trường

Tốc độ phản ứng và những điều kiện khác trong từng trường

hợp đều rất quan trọng trong việc quyết định những khía cạnh nhất định của việc bảo vệ môi trường Ví dụ, tính phá hủy tần ozone của chất chloroflourocarbons (CFCs) được hiểu rõ nhất nhờ vào việc phân tích các phản ứng hóa học xúc tác Cụ thể là chlorine được giải thoát từ CFCs xúc tác cho quá trình phân hủy ozone thành khí oxi Điều này cũng xảy ra một cách tự nhiên trong một quá trình được gọi là Chu kì Chapman, nhưng Chu kì Chapman luôn duy trì sự cân bằng quan trọng, đó là khi chlorine bị phá vỡ

Trang 38

1 Ý nghĩa của xác định tốc độ phản ứng trong đời

sống Trong ngành công nghiệp

Việc xác định tốc độ phản ứng cũng góp phần không nhỏ

trong ngành công nghiệp Kỹ thuật “cracking xúc tác”, một kỹ thuật quan trọng trong chế biến xăng dầu, được thực hiện thong qua sự hiểu biết về động lực học hóa học Trong quá trình cracking, các chất xúc tác tạo điều kiện thuận lợi sự phân hủy các hợp chất hữu cơ tương đối ổn định diễn ra Tương tự, những chất xúc tác chuyển đổi, được dùng để làm giảm độ độc hại của khí thải, dựa vào những chất xúc tác khác nhau để có thể kích hoạt và thúc đẩy những phản ứng làm sạch nhất định Việc tính toán tốc độ phản ứng giúp các chuyên gia có thể chọn những chất xúc tác phù hợp và giúp quá trình cracking đạt hiệu suất cao mà ít tốn kém và thân thiện với môi trường

Trang 39

2 Ý nghĩa của việc xác định tốc độ phản ứng

trong hóa học:

•Sự xảy ra chậm của một phản ứng hợp phức là một trở ngại lớn

cho việc sử dụng vào phân tích, đặc biệt trong chuẩn độ.

•Xác định định lượng có thể dựa trên phép đo tốc độ phản ứng, ví

dụ như khi phân tích hỗn hợp hai chất rất giống nhau, phản ứng

như nhau nhưng với tốc độ khác nhau

•Tốc độ của những phản ứng xúc tác đồng thể thường tỉ lệ với nồng

độ chất xúc tác, do đó có thể sử dụng để xác định nồng độ chất xúc tác

•Đo hằng số động học thường cho phép hiểu cơ chế phản ứn và do

đó giải thích được nguyên nhân không hợp phức Những phản ứng

cộng hưởng thường là nguồn sai số rất đáng tiếc, đôi khi có thể

chuyển hóa thành những phản ứng định lượng có lợi Chỉ có thể sử dụng đượng những phản ứng loại này bằng cách nghiên cứu toàn

diện để hiểu cơ chế của chúng

Trang 41

•Xúc tác chiếm một vị trí rất quan trọng trong ngành

công nghiệp hóa chất Ở Mỹ, 75% sản phẩm và 90%

các quá trình sản suất hóa chất dựa trên xúc tác

•Ngày nay 90% ngành sản xuất công nghiệp thuộc lĩnh vực hóa học phải dùng xúc tác với lượng khoảng 2 triệu tấn/năm trong các lĩnh vực như :

Hóa đầu: phản ứng cracking, reforming

Chất dẻo, polyme Hóa dược …

•Theo kiểu truyền thống, có thể thấy khoa học xúc tác phát triển qua 6 giai đoạn

Trang 42

2.Từ kinh nghiệm đến khoa học (1835-1887)

Năm 1850, Wilhelmy chứng tỏ tốc độ phản ứng hóa học phụ thuộc vào tác chất, từ đây nhận thấy tính thuận nghịch của phản ứng hóa học Năm 1877, Lemoine cho thấy chất xúc tác giúp phản ứng nhanh đạt cân bằng,nhưng không làm thay đổi vị trí cân bằng.

Wilhelm Ostwald cho rằng chất xúc tác không gây ra phản ứng hóa học, nó chỉ tăng tốc hay kiềm hãm phản ứng mà thôi Ostwald từng viết:

"Không có phản ứng hóa học nào mà không bị ảnh hưởng của xúc tác".

Trang 43

3.Xúc tác công nghiệp ra đời (1888-1918)

Năm 1888, Knietsch phát triển hỗn hợp xúc tác Platin và Vanadium(V) oxide cho quá trình sản xuất công nghiệp

H2SO4

Năm 1909, Mittasch phát triển chất xúc tác công nghiệp đầu tiên cho sản xuất NH3 từ khí Nitơ (N2) và khí hydro (H2)

4.Xúc tác cho quá trình sản xuất nhiên liệu (1918-1945)

Năm 1936 Eugene Houdry phát triển quá trình xúctác cắt mạch bằng nhiệt (cracking petroleum) Đây là một trong

những quá trình hóa học

quan trọng nhất để tạo ra các chất phụ gia thay thế chì

tetraethyl (chất độc) trong xăng

Trang 44

5.Từ chiến tranh đến hòa bình (1946-1970)

Năm 1960, 3 quá trình công nghiệp quan trọng đưa vào

thương mại: Tổng hợp acetaldehyde từ ethylen; Tổng hợp

cyclohexene từ benzem; sản xuất acrylonitrile

Năm 1965, Wilkinson phát triển xúc tác đồng thể trong các loại phản ứng như phản ứng hydrogen hóa, đồng phân hóa, hydroformyl hóa, từ đây xuất hiện nhánh mới trong xúctác đó

là xúc tác đồng thể Ngày nay xúc tác đồng thể ứng dụng

nhiều trong sản xuất dược phẩm và hóa chất tinh vi

Trang 45

6.Xúc tác môi trường (1970-đến nay)

Năm 1974, ba phương pháp dùng xúc tác xử lý khí thải trong

xe hơi ra đời Đây được xem là một trong những thành công

nhất của lĩnh vực xúc tác dị thể suốt mấy chục năm qua,

Roland và Molina phát hiện thủng tầng ozone do xúc tác

chlorine Xúc tác zeolite cũng đóng vai trò quan trọng

Năm 1976 Mobil Oil tạo ra được zeolite ZSM-5 có tác dụng

chuyển methanol thành xăng, một giải pháp cho cuộc khủng

hoảng năng lượng đầu những năm 70

Năm 1972, Fujishima và Honda oxy dùng hệ xúc tác TiO2-Pt

để tách nước mở đầu cho kỹ thuật xúc tác quang hóa

(photocatalysis)

Trang 46

chất xúc tác âm(chất ức chế).

Trang 48

B KĨ THUẬT XÚC TÁC

II.KHÁI NIỆM,ĐẶC ĐIỂM CHẤT XÚC TÁC.

b.ĐẶC ĐIỂM CỦA CHẤT XÚC TÁC.

Ngoài ra, chất xúc tác còn có một số đặc điểm sau:

Rất kém bền, thời gian sống rất ngắn, không tồn tại trong

dung dịch mà chỉ được tạo thành trong quá trình xúc tác

Là các hợp chất bề mặt, không tồn tại thành một pha độc lập, tính chất của chúng rất khác với các hợp chất tồn tại trong pha thể tích

Các chất xúc tác có công thức hóa học giống nhau không đảm bảo là có tính chất giống nhau, mà còn phụ thuộc vào cấu trúc vật lý hoặc tinh thể của chúng

Có diện tích bề mặt riêng khá lớn do bề mặt chất xúc tác

quyết định hoạt tính của nó

Trang 49

III.CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA CHẤT XÚC TÁC.

b.ĐẶC ĐIỂM CỦA CHẤT XÚC TÁC.

Chất xúc tác không tham gia trực tiếp vào phản ứng hóa học mà chỉ có tác dụng liên kết một hoặc nhiều cấu tử tạo hợp chất trung gian không bền nhưng có tính hoạt hóa cao, dễ phản ứng với các cấu tử khác tạo sản phẩm Sau phản ứng, chất xúc tác trở lại

trạng thái ban đầu.

Trang 51

IV.CÁC DẠNG XÚC TÁC.

1.XÚC TÁC ĐỒNG THỂ.

a.Khái niệm:Xúc tác đồng thể là chất xúc tác cùng

pha với các chất tham gia phản ứng.

• Phản ứng xúc tác đồng thể chỉ xảy ra trong pha khí

và pha lỏng; không có xúc tác đồng thể trong pha

rắn

Ví dụ:

Trang 52

i.Pha khí:

Phản ứng xảy ra qua các giai đoạn sau:

Trang 53

B KĨ THUẬT XÚC TÁC IV.CÁC DẠNG XÚC TÁC.

ii.Pha lỏng: phản ứng xúc tác đồng thể trong pha lỏng phần lớn là phản ứng xúc tác axit - bazơ Ví dụ phản ứng oxy hóa ion thiosulfat bằng H2O2 với ion I- làm xúc tác

Trang 54

ii.Pha lỏng:

Phản ứng xảy ra qua 3 giai đoạn như sau:

Trang 55

Trang 56

2) Phản ứng tự xúc tác với chất phản ứng đóng vai trò xúc tác: phản ứng este hóa

môi chất đầu là axit nên nó đồng thời đóng vai trò là chất xúc tác.

Trang 57

HCTG

•HCTG hoạt động kém bền sẽ phân huỷ tương đối chậm cho sản phẩm phản ứng và giải phóng chất xúc tác

Trang 58

nhóm hoạt động của phân tử chất xúc tác.

•Phản ứng xúc tác tạo nhiều HCTG có độ hoạt động khác

nhau và sự phân huỷ các HCTG diễn ra khác nhau

•Phản ứng xúc tác đồng thể khi có mặt của xúc tác sẽ làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng nên làm tăng giá trị hằng số vận tốc k và dẫn đến làm tăng vận tốc phản ứng ở cùng điều kiện (so với khi không có mặt xúc tác)

Trang 59

2.XÚC TÁC DỊ THỂ

a.Khái niệm

-là phản ứng mà trong đó chất xúc tác và chất phản ứng là hai pha khác nhau, và phản ứng xảy ra trên bề mặt phân chia giữa 2 pha.

.

Trang 63

•Quá trình đồng thể tiến hành không liên tục nên năng

suất thiết bị kém Quá trình dị thể tiến hành phản ứng liên tục, năng suất thiết bị cao hơn hẳn, dễ dàng tự động hóa

•Quá trình dị thể thu hồi xúc tác dễ hơn nhiều so với quá trình đồng thể

•Năng lượng hoạt hóa cho quá trình dị thể bé hơn năng lượng hoạt hóa cho quá trình đồng thể, do đó vận tốc phản ứng dị thể nhanh hơn

Trang 66

2.XÚC TÁC DỊ THỂ

b.CHUYỂN XÚC TÁC ĐỒNG THỂ SANG DI THỂ.

Bảng trên so sánh năng lượng hoạt hóa của phản ứng dị thể

Nhận xét: Qua bảng nhận thấy rằng mặc dù các chất xúc tác khác nhau thể hiện những tính chất đặc trưng và năng lượng hoạt hóa của một phản ứng là khác nhau trên những chất xúc tác khác nhau, nhưng trong mọi trường hợp năng lượng hoạt hóa giảm đi rất mạnh trong quá trình dị thể so với quá trình

đồng thể.

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	3,24 MB