Các phản ứng hóa học có chất xúc tác năm 2024

Tốc độ phản ứng là đại lượng đặc trưng cho sự nhanh hay chậm của phản ứng hóa học.

1. Khái niệm tốc độ phản ứng

- Tốc độ phản ứng là đại lượng đặc trưng cho sự nhanh hay chậm của phản ứng hóa học.

2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

1. Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng

- Khi tăng nồng độ của các chất tham gia phản ứng thì tốc độ phản ứng tăng lên.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng

- Khi tăng nhiệt độ của các chất tham gia phản ứng thì tốc độ phản ứng tăng lên.

3. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt tiếp xúc đến tốc độ phản ứng

- Khi tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của các chất tham gia phản ứng thì tốc độ phản ứng tăng lên.

4. Ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng

- Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng nhưng vẫn giữ nguyên về khối lượng và tính chất háo học.

Xúc tác có vai trò hết sức quan trọng đối với chuyển hoá hoá học. Phần lớn các quá trình tổng hợp công nghiệp và gần như toàn bộ các phản ứng sinh học đều cần xúc tác. Phần lớn các quá trình thực hiện trong công nghiệp chế biến dầu và hoá dầu đều cần có xúc tác. Trong lĩnh vực môi trường, xúc tác cũng rất quan trọng, việc kiểm soát khí thải giao thông vận tải và làm sạch khí thải nhà máy điện cũng như khí thải công nghiệp sẽ không thực hiện được nếu không có xúc tác. Xúc tác được sử dụng thành công trong công nghiệp hoá chất trong hơn 100 năm qua. 75% hoá chất được sản xuất với sự tham gia của xúc tác và trong các quá trình hiện đại, tỷ lệ này đạt trên 90%.

Vai trò quan trọng và không ngừng tăng của xúc tác trong lĩnh vực hoá học, công nghiệp hoá học và sinh học trong phần lớn các nước công nghiệp phát triển dẫn đến sự tăng mạnh quy mô và cường độ nghiên cứu xúc tác. Ngành xúc tác phát triển theo hai hướng. Một bộ phận nghiên cứu các quá trình và xúc tác đã biết, bộ phận khác - nghiên cứu các quá trình và xúc tác mới. Sự phát triển đáng kể trong nghiên cứu lý thuyết và sự xuất hiện các phương pháp hiện đại hơn cho nghiên cứu xúc tác là điều tất yếu vì cho đến nay mặc dù có những thành tựu quan trọng trong lý thuyết, nhưng trong thực tế vẫn chưa có tiêu chuẩn đáng tin cậy cho phép tiên đoán trước xúc tác cho các quá trình mới.

Sách trình bày các nội dung:

- Xúc tác và phản ứng xúc tác, nhiệt động học phản ứng và khả năng diễn ra phản ứng, phản ứng xúc tác dị thể, sự đầu độc xúc tác, quá trình khuếch tán và các vùng phản ứng trong phản ứng xúc tác dị thể.

- Hấp phụ trên bề mặt phân chia rắn - khí và rắn - dung dịch, sự hấp phụ và xúc tác trên bề mặt không đồng nhất, sự hấp phụ hoạt hoá trong xúc tác dị thể.

- Động học các phản ứng xúc tác đồng thể, đơn giản và phức tạp trong điều kiện kín và mở, bậc phản ứng, phản ứng phức tạp, năng lượng hoạt hoá của phản ứng và sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng.

- Động học các phản ứng xúc tác dị thể, tốc độ phản ứng xúc tác dị thể, định luật tác dụng bề mặt, động học phản ứng xúc tác đơn phân tử trong hệ kín, phản ứng xúc tác dị thể lưỡng phân tử trong hệ kín.

- Động học phản ứng xúc tác dị thể trên bề mặt đồng nhất trong hệ dòng, năng lượng hoạt hoá thực và biểu kiến của phản ứng hoá học dị thể, sự ảnh hưởng của tính không đồng nhất của bề mặt xúc tác, mối quan hệ giữa động học và cơ chế phản ứng xúc tác dị thể.

- Phản ứng quang xúc tác, động học và phản ứng xúc tác quang trong pha lỏng và pha khí, các phương pháp xác định hoạt động xúc tác và nghiên cứu động học và cơ chế phản ứng xúc tác, đặc điểm các bình phản ứng, xác định tốc độ phản ứng bằng phương pháp vật lý.

Tùy theo trạng thái của các thành phần trong phản ứng mà người ta chia các phản ứng xúc tác ra làm xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể. Một loại xúc tác đặc biệt khác đó là xúc tác men. Xúc tác men có thể là xúc tác đồng thể hoặc dị thể. Xúc tác đồng thể thường gặp là xúc tác axit – base. Ngoài ra còn có xúc tác nucleofil, xúc tác electrofil, xúc tác bằng phức kim loại chuyển tiếp hoặc ion của nó…

I.1.Xúc tác đồng thể:

Xúc tác đồng thể là xúc tác trong đó chất xúc tác ở cùng pha với chất phản ứng.

Một số ví dụ về xúc tác đồng thể như: pha khí,pha lỏng.

I.2.Xúc tác axít-base

Phản ứng trong dung dịch đặc biệt đối với hợp chất hữu cơ được xúc tác bằng axit, base rất nhiều. Ðó là phản ứng có sự tham gia của nước, alcohol, amin. Các phản ứng có đặc trưng axit như thủy phân, alcohol hóa, amonia hóa, những phản ứng có sự tham gia của nhóm cacbonyl như andehyt, axit hữu cơ và dẫn xuất của chúng.

II.Phản ứng tự xúc tác

Phản ứng mà tốc độ nó tăng lên do tác dụng chính chất phản ứng, có thể là chất đầu hoặc sản phẩm, gọi là phản ứng tự xúc tác. Phản ứng thủy phân este hóa, axít hữu cơ và rượu, phản ứng tự cảm ứng. Ví dụ:

Đây là phản ứng xúc tác axít.

II.1.Xúc tác men

Loại men (ferments, enzymes) cùng được làm chất xúc tác (xúc tác sinh hóa).Men là chất xúc tác có nguồn gốc protein, nghĩa là những phân tử được cấu tạo từ amin axit và có cấu trúc không gian xác định của mạch polypeptit. Tác dụng xúc tác là nhờ các quá trình lên men. Ðó là những quá trình trong đó xảy ra sự thay đổi thành phần hóa học các chất gây ra do kết quả hoạt động của những vi sinh vật nào đó, ví dụ men rượu, nấm hoặc vi khuẩn. Trong những trường hợp này những chất men do vi sinh vật tạo ra là những yếu tố hoạt động xúc tác. chất men vẫn giữ được tính hoạt động và khả năng tác dụng của nó khi lấy nó ra khỏi vi sinh vật.

II.2.Xúc tác dị thể

Xúc tác dị thể là xúc tác trong đó chất xúc tác ở khác pha với chất phản ứng.Chất xúc tác dị thể thường là chất rắn và phản ứng xảy ra trên bề mặt chất xúc tác. Thường gặp nhất là những hệ xúc tác dị thể gồm pha rắn và pha khí (các chất tham gia phản ứng và sản phẩm phản ứng).

Ðặc điểm của phản ứng xúc tác dị thể là phản ứng diễn ra nhiều giai đoạn, có hai đặc trưng:

• Quá trình xảy ra ở lớp đơn phân tử trên bề mặt chất xúc tác. Ðặc trưng này thể hiện ở chỗ trong xúc tác dị thể thì khuếch tán và hấp phụ đóng vai trò quan trọng.
• Chất xúc tác không phải là những phân tử, ion riêng rẽ mà là một tổ hợp những nguyên tử, ion.

III. Các thuyết về xúc tác hiện nay

• Thuyết hợp chất trung gian: Thuyết hợp chất trung gian là một trong những thuyết đầu tiên về xúc tác do Clement và Desormes và Sabatir để xuất.Theo thuyết này, phản ứng diễn ra dưới một dạng nào đó qua sự hình thành hợp chất trung gian. Từ đó, giúp cho chúng ta suy nghĩ việc lựa chọn chất xúc tác. Phải chọn chất xúc tác nào có thể tương tác với chất phản ứng.
• Thuyết hợp chất bề mặt: Thuyết hợp chất bề mặt được Boreskow, Temkin đề xuất và phát triển.Theo thuyết này, có thể xem quá trình xúc tác như một tập hợp những giai đoạn luân phiên, hình thành những hợp chất và phá hủy chúng giải phóng ra sản phẩm. Tuy nhiên, thuyết này vẫn còn vấn đề tồn tại.
• Thuyết trung tâm hoạt động: Dựa trên quan điểm cho rằng bề mặt chất rắn là không đồng nhất. Taylor đã đưa ra giả thuyết rằng các phản ứng xúc tác chỉ xảy ra trên những điểm riêng rẽ của bề mặt gọi là trung tâm hoạt động. Thuyết Taylor chỉ có giá trị lý thuyết nhất định.
• Thuyết đa vị: Thuyết đa vị về xúc tác dị thể do Balandin dự thảo năm 1929. Thuyết này xuất phát từ nguyên lý tương ứng về cấu tạo giữa sự sắp xếp nguyên tử ở bề mặt chất xúc tác và trong phân tử chất phản ứng và cả sự tương ứng năng lượng của các liên kết. Theo thuyết này:

– Trung tâm hoạt động của chất xúc tác là tập hợp của một số xác định của các trung tâm hấp phụ được phân bố trên bề mặt phù hợp với cấu tạo hình học của những phân tử bị chuyển hóa.

– Có sự hình thành của những phức đa vị khi hấp phụ những phân tử phản ứng trên những trung tâm hoạt động. Kết quả này dẫn đến sự phân bố lại các liên kết, đưa đến hình thành sản phẩm phản ứng.

• Thuyết tập hợp hoạt động: Thuyết tập hợp hoạt động do Kobosew dự thảo năm 1939. Thuyết này được xây dựng trên quan điểm cho rằng chất (vật) mang hoạt tính xúc tác là những chất vô định hình (không kết tinh). Gồm một số nguyên tử trên bề mặt không có hoạt tính xúc tác của vật mang. Cho tới nay, thuyết tập hợp hoạt động vẫn chưa được thừa nhận.
• Thuyết điện tử: Pissarshewski là người đầu tiên dự thảo thuyết điện tử về xúc tác vào năm 1916. Thuyết này bị lãng quên đến cuối năm 1940 mới được nhiều người chú ý lại nhất là ở Liên Xô trước đây. Thuyết điện tử dựa trên quan điểm cho rằng sự hấp phụ những phân tử chất phản ứng trên chất xúc tác phụ thuộc vào sự phân bố các mức năng lượng bên trong tinh thể của chất xúc tác và trên bề mặt của chúng.

Việc khảo sát một số lý thuyết về xúc tác cho thấy lý thuyết về xúc tác dị thể chưa có sự thống nhất về quan điểm ngay cả những vấn đề cơ bản. Các thuyết trên mới có tính chất định hướng chỉ đối với một số phản ứng.