5.5.1. Chất xúc tác
a. Khái niệm chất xúc tác:
Chất xúc tác là chất tham gia vào một giai đoạn của phản ứng làm tăng tốc độ phản ứng nhưng sau phản ứng lại được phục hồi và không bị biến đổi cả về lượng và chất.
65
b. Phân loại chất xúc tác:
- Xúc tác đồng thể: Chất xúc tác cùng pha với chất tham gia phản ứng. Xúc tác đồng thể thường được thực hiện trong pha khí hoặc pha lỏng.
- Xúc tác dị thể: Chất xúc tác không cùng pha với chất tham gia phản ứng. Thông thường chất xúc tác dị thể ở pha rắn, cịn chất phản ứng ở pha khí hay pha lỏng.
- Xúc tác enzim (còn gọi là xúc tác sinh hóa, men): là các protein có khả năng làm tăng tốc độ các phản ứng diễn ra trong cơ thể con người, động vật…
c. Đặc điểm của chất xúc tác
- Chất xúc tác chỉ làm tăng tốc độ phản ứng, không làm thay đổi G của phản ứng, nghĩa là chất xúc tác chỉ có ý nghĩa đối với phản ứng có G < 0 và tốc độ nhỏ. Nếu phản ứng có giá trị G > 0 thì phản ứng khơng bao giờ xảy ra dù với bất kì chất xúc tác nào.
- Chất xúc tác làm tăng tốc độ của cả phản ứng thuận lẫn phản ứng nghịch ở mức độ như nhau nên chất xúc tác không làm dịch chuyển trạng thái cân bằng của phản ứng. Chất xúc tác còn lại nguyên vẹn sau phản ứng nên nó khơng làm thay đổi các tính chất đặc trưng nhiệt động học của quá trình.
- Sự xúc tác có tính chất chọn lọc. Mỗi chất xúc tác chỉ xúc tác cho một loại phản ứng nhất định hay một phản ứng nhất định. Cùng một chất tham gia phản ứng, nhưng nếu dùng các chất xúc tác khác nhau thì sẽ tạo là các sản phẩm khác nhau. Ví dụ, khi nhiệt phân C2H5OH nếu dùng xúc tác Al2O3 sẽ thu được etilen và nước, dùng Cu sẽ thu được axetanđehit, còn khi dùng hỗn hợp xúc tác là Al2O3/ZnO thi sản phẩm thu được là butađien.
5.5.2. Ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng
* Chất xúc tác làm tăng khả năng định hướng thuận lợi của các phân tử (làm tăng entropi hoạt hố).
Ví dụ: Chất xúc tác dị thể (ở thể rắn) đã hấp phụ phân tử các chất tham gia phản ứng ở thể khí hoặc thể lỏng lên bề mặt chất xúc tác làm tăng entropi hoạt hoá.
* Chất xúc tác tham gia vào một giai đoạn nào đó của phản ứng và làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng, do đó làm tăng tốc độ phản ứng.
Ví dụ: Phản ứng (1) : A + B → AB có E1* nên vận tốc phản ứng nhỏ. Khi có xúc tác K thì phản ứng xảy ra theo 2 giai đoạn:
Giai đoạn a - phản ứng (2): A + K → AK có E2* Giai đoạn b - phản ứng (3): AK + B → AB + K có E3*
E2* và E3* đều nhỏ hơn E1* nên vận tốc phản ứng (2) và (3) đều lớn hơn vận tốc của phản ứng (1)
66
Trong 2 phản ứng (2), (3), phản ứng nào có E* lớn hơn sẽ xảy ra chậm hơn và sẽ quyết định vận tốc của phản ứng ( 1) khi có xúc tác K
Hình 5.1. Sơ đồ tiến trình của phản ứng đồng thể khi khơng có mặt (đường liền) và có mặt (đường nét đứt) chất xúc tác.
* Ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng.
Xét phản ứng: A + B → AB (có E* lớn, tốc độ phản ứng nhỏ). E*: Năng lượng hoạt hố của phản ứng khi khơng có mặt chất xúc tác
*
xt
E
: Năng lượng hoạt hố của phản ứng khi có mặt chất xúc tác ( với giả thiết chất xúc tác chỉ ảnh hưởng tới năng lượng hoạt hóa của phản ứng).
v: Vận tốc phản ứng khi khơng có mặt chất xúc tác. vxt: Vận tốc phản ứng khi có mặt chất xúc tác. v = * . E RT A e − (5.20) vxt = A. * . xt E RT e − (5.21) vxt E*RTExt* e v − = (5.22) ln * * xt v v E Ext RT = − (5.23) R = 8,314 J.mol-1.K-1
67
5. 1. Trình bày khái niệm, biểu thức tính tốc độ phản ứng. Cho ví dụ minh hoạ. 5. 2. Trình bày ảnh hưởng của nồng độ đến vận tốc phản ứng. Cho ví dụ
5. 3. Trình bày ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng (quy tắc Van’t Hoff, phương trình
Arrhenius).
5. 4. Một phản ứng có hằng số vận tốc phản ứng ở 293K là k293 = 0,02 và ở 313K là k313 = 0,36.
a. Tính hệ số nhiệt độ () của phản ứng trong khoảng nhiệt độ trên. b. Tính năng lượng hoạt hố của phản ứng đó.
5. 5. Trình bày về chất xúc tác: khái niệm, phân loại xúc tác, đặc điểm của hiện tượng xúc tác,
ảnh hưởng của chất xúc tác đến vận tốc xúc tác.
CHƯƠNG VI CÂN BẰNG HOÁ HỌC