Xúc tác được mệnh danh là cây đủa thần trong hố học - chính xác hơn trong cơng nghệ hóa học. Nhờ nó, người ta sẽ đạt được sản phẩm mong đợi một cách kinh tế.
Nhưng khoa học về xúc tác ra đời muộn màng nên đến hiện nay xúc tác đang còn là vấn đề nghiên cứu.
Chương 3 : ĐỘNG HĨA HỌC
Khi đun KMnO4, thuốc tím sẽ phân huỷ chậm, nhưng khi cho thêm vào một ít MnO2 thì
phản ứng sẽ xảy ra nhanh chóng. Lựơng MnO2 cho vào đó khơng khác với MnO2 sinh ra từ
phản ứng kể cả về lượng và chất - MnO2 gọi là chất xúc tác.
Chất xúc tác là chất khi thêm vào hệ nó làm thay đổi tốc độ phản ứng mà cuối q trình nó vẫn được giữ nguyên về lượng và chất.
Đứng về góc độ ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng có thể chia chất xúc tác ra làm 2 loại : chất xúc tác thuận (dương) : làm tăng tốc độ phản ứng và chất xúc tác nghịch (âm, chất ức chế) : làm vận tốc phản ứng giảm.
Đứng về góc độ pha, người ta chia chất xúc tác ra làm 2 loại : xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể.
Xúc tác được gọi là đồng thể khi chất xúc tác cùng pha với chất phản ứng. Xúc tác được goi là dị thể khi chất xúc tác khác pha với chất phản ứng.
Do việc tác động của chất xúc tác vào hệ đồng thể và dị thể khác nhau nên cơ chế của việc xúc tác đồng thể và dị thể cũng khác nhau.
Đặc điểm : Dù là đồng thể hay dị thể, chất xúc tác có những đặc điểm : a) Khơng làm thay đổi những đặc trưng nhiệt động.
Nói đến nhiệt động thì chỉ để ý đến trạng thái đầu và trạng thái cuối mà khơng xét đến q trình. Mà ta thấy ngay từ định nghĩa của chất xúc tác : từ trạng thái đầu sang trạng thái cuối chất xúc tác khơng đổi. Vậy thì chất xúc tác khơng làm thay đổi đến tính cách nhiệt động - tức khơng gây ảnh hưởng đến G. Vậy thì :
- Khi một phản ứng không thể xảy ra về mặt nhiệt động (G > 0) thì dù có hay khơng có chất xúc tác cũng khơng thể làm cho phản ứng xảy ra được. Nói nơm na, khi ta tính được một phản ứng (dự kiến) có G < 0 thì lúc ấy mới tìm kiếm chất xúc tác để thúc đẩy cho phản ứng diễn ra nhanh hay chậm hơn theo ý người sử dụng.
-Và cũng vậy khi một phản ứng cân bằng (G = 0) thì chất xúc tác không làm dịch chuyển cân bằng - nghĩa là không thể tạo ra sản phẩm nhiều hay ít hơn mà cân bằng đã chỉ, chất xúc tác chỉ thúc đẩy phản ứng nhanh (hay chậm) đạt đến cân bằng, nghĩa là khi phản ứng là cân bằng thì chất xúc tác là tăng (hay giảm) vận tốc phản ứng thuận thì cũng làm tăng (hay giảm) vận tốc phản ứng nghịch.
b. Chất xúc tác có tính chọn lọc : nghĩa là nếu
một chất có thể cho nhiều sản phẩm thì với xúc tác thích hợp, người ta có thể hướng phản ứng đến sản phẩm mong đợi :
Thí dụ : Al2O3,4000C C2H4 + H2O. C2H5OH CuO,2000C CH3CHO + H2O.
3.6.2.Cơ chế xúc tác :
Với xúc tác đồng thể do chất xúc tác cùng pha với chất phản ứng, phản ứng xảy ra trong khơng gian 3 chiều, cịn trong xúc tác dị thể do chất xúc tác khác pha với chất phản ứng nên phản ứng chỉ xảy ra trong 2 chiều nên cơ chế của nó khác nhau.
3.6.2.1.Xúc tác đồng thể :
Sở dĩ chất xúc tác làm thay đổi tốc độ phản ứng vì khi có chất xúc tác tham gia nó làm cho năng lượng hoạt hóa của phản ứng giảm. Ta đã biết tính chất quan trọng của năng lượng hoạt hoá Ea đến vận tốc phản ứng qua phương trình: k = Ae-Ea/RT. Ea nằm ở phần lũy thừa vì vậy việc thay đổi Ea dù nhỏ cũng làm thay đổi nhiều đến k - dẫn đến vận tốc v của phản ứng thay đổi nhiều
A B : có xúc tác : khơng có xúc tác [AK] sản phẩm Tiến trình phản ứng E
Chương 3 : ĐỘNG HĨA HỌC
Chất xúc tác đã dự phần như thế nào trong việc giảm Ea ? Người ta cho rằng chính chất xúc tác đã tham gia vào phản ứng và biến phản ứng thành nhiều giai đoạn hơn và trong mỗi giai đoạn nó sẽ có Ea nhỏ hơn, như muốn qua một ngọn núi quá dốc, người ta phải qua những đường đèo zic zăc.
A + B K sản phẩm. K : là chất xúc tác
Người ta cho rằng : A + K [AK]. Sau đó : [AK] + B sản phẩm + K Vì vậy vận tốc của phản ứng phụ thuộc vào nồng độ chất xúc tác.
3.6.2.2.Xúc tác dị thể :
Do tính chất đặc thù của xúc tác dị thể : phản ứng chỉ xảy ra trên không gian 2 chiều - trên bề mặt chất xúc tác. Như vậy vận tốc phản ứng phải tỷ lệ với diện tích bề mặt của chất xúc tác. Và muốn phản ứng diễn ra nhiều (trên bề mặt chất xúc tác) thì nồng độ trên bề mặt chất xúc tác phải cao. Muốn vậy chất xúc tác phải có khả năng hấp phụ tốt và người ta cho rằng cơ chế của chất xúc tác xảy ra theo 5 giai đoạn :
- Giai đoạn 1: Khuyếch tán chất phản ứng đến miền xúc tác - Giai đoạn 2: Hấp phụ, chất xúc tác hấp phụ các chất phản ứng. - Giai đoạn 3: Các chất phản ứng phản ứng trên bề mặt chất xúc tác. - Giai đoạn 4: Giải hấp : sản phẩm thoát khỏi sự hấp phụ của chất xúc tác. - Giai đoạn 5: Đưa sản phẩm ra khỏi miền xúc tác.
Chúng ta thấy trong 5 giai đoạn thì có đến 4 giai đoạn phụ thuộc sự hấp phụ, chỉ có giai đoạn 3 là khơng phải hấp phụ nhưng đó chính là giai đoạn chậm nhất - vì vậy người ta cho rằng đặc điểm của xúc tác dị thể chính là sự hấp phụ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sự hấp phụ có hấp phụ lý học và hấp phụ hóa học.
Hấp phụ lý học là do các nguyên tử xúc tác nằm trên bề mặt chỉ có lực liên kết giữa các
nguyên tử đó với các nguyên tử trong lịng tinh thể của chất xúc tác, vì vậy các nguyên tử trên bề mặt này “thiếu lực” làm cho các nguyên tử bề mặt sẽ có lực hút với các chất phản ứng - sự hấp phụ này để giải thích cơ chế xúc tác ở nhiệt độ thấp.
Quan trọng hơn là sự hấp phụ hóa học, người ta cho rằng các nguyên tử trên bề mặt do chỉ tạo liên kết với các nguyên tử bên trong nên phía ngồi cịn có những orbital nguyên tử (AO) trống vì vậy khi chất phản ứng tiến đến, như H2 chẳng hạn, làm các
AO trống của chất xúc tác Ni phủ với các AO 1s của H tạo một phần liên
kết với H và làm yếu đi liên kết H -H. Khi các phân tử anken C=C tiến
đến thì dễ tạo liên kết với anken và H2. Như vậy dĩ nhiên liên kết Ni-H cũng không mạnh lắm để dễ đứt. Sự hấp phụ hóa học này khơng bị ảnh hưởng khi nhiệt độ cao, nó khác với sự hấp phụ vật lý khi nhiệt độ cao sự hấp phụ sẽ giảm.