Động học xúc tác

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
1
ĐỘNG HỌC XÚC TÁC
8/30/2012 Động học Xúc tác
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 2
Ưu điểm của quá trình có sử dụng xúc tác
Tạo được nhiều sản phẩm và kinh tế hơn:
Tăng vận tốc của phản ứng.
Đơn giản hóa các bước phản ứng – giảm chi phí đầu tư.
Phản ứng tiến hành ở điệu kiện trung bình ( T, P thấp) giảm
năng lượng tiêu thụ.
Giảm lượng chất thải:
Nâng cao độ chọn lọc ra sản phẩm mong muốn - làm giảm
lượng nguyên liệu lượng chất thải không mong muốn.
Thay thế các nguyên liệu nguy hiểm và độc hại.
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 3
Sản xuất ra các sản phẩm mà nếu không có xúc tác thì không thể sản xuất
được.
Kiểm soát quá trình tốt hơn (an toàn và linh hoạt hơn).
Thúc đẩy sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ.
Do có các ưu điểm đó nên:
27 % của GNP và 90 % của ngành công nghiệp hóa chất có sử dụng chất
xúc tác.
Ước tính mỗi năm lượng chất xúc tác tiêu thụ có giá trị khoảng 2 tỉ usd.
Chất xúc tác chiếm 2% tổng vốn đầu tư trong quá trình hóa học.
Các hóa chất được tạo ra bởi các quá trình chuyển hóa có sử dụng xúc tác
có giá trị khoảng 200 tỉ usd.
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 4

Ví dụ:
– Công nghiệp Hydrogen (coal, NH
3
, methanol, FT,
hydrogen hóa /HDT, fuel cell).
– Lọc dầu (Petroleum refining): FCC, HDW,HDT,HCr, REF.
– Hóa dầu (Petrochemicals): monomers, bulk chemicals.
– Hóa chất tinh khiết (Fine Chem).
– Thực phẩm (Food): Magarine, butter,…
– Dược phẩm; Nông nghiệp; Dệt nhuộm.
– Xúc tác môi trường (Environmental Catalysis):
autoexhaust, deNOx,
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
5
Khái niệm về chất xúc tác và quá trình xúc tác.
Cơ chế hoạt động và Các thuộc tính của chất xúc tác.
Thành phần của chất xúc tác.
Phân loại chất xúc tác
Ứng dụng của chất xúc tác
Định tính và định lượng họat tính xúc tác.
Quá trình phản ứng sử dụng xúc tác.
Sản xuất chất xúc tác.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của xúc tác.
Sự giảm họat tính của xúc tác. Tái sinh xúc tác.
Các yêu cầu của chất xúc tác công nghiệp.
Một vài quá trình trong tiến trình phát triển của xúc tác công nghiệp

NHẬP MÔN
8/30/2012 Động học Xúc tác
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

8/30/2012 Động học Xúc tác 6
Chất xúc tác (Catalyst) ?
Sự xúc tác (Catalysis) ?
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
7
Về bản chất
Chất xúc tác làm thay đổi cơ chế phản ứng dẫn đến làm
giảm năng lượng họat hóa của phản ứng.
 Về mặt lý thuyết, Chất xúc tác không thay đổi sau phản
ứng.
 Chất xúc tác không làm thay đổi đặc tính nhiệt động của
phản ứng.
 Đối với một phản ứng thuận nghịch, Chất xúc tác làm tăng
tốc độ cả chiều thuận và chiều nghịch, dẫn đến phản ứng đạt
cân bằng nhanh hơn.
8
– Ví dụ: CH
4
(g) + CO
2
(g) = 2CO(g) + 2H
2
(g)
D
G°
373
=151 kJ/mol (100 °C)

D
G°

973
=-16 kJ/mol (700 °C)
• Tại 100°C,
D
G°
373
=151 kJ/mol > 0. Phản úng này sẽ không xảy ra
dù có hay không có xúc tác.
• Tại 700°C,
D
G°
973
= -16 kJ/mol < 0. Phản ứng có xả ra nhưng với
vận tốc rất nhỏ. Khi có sự hiện diện của Pt/ZrO
2
hay Ni/Al
2
O
3
thì
tốc độ của phản ứng xảy ra rất mãnh liệt .
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Cơ chế hoạt động
9
8/30/2012 Động học Xúc tác
• A, B: Chất phản ứng.
• Bonding: liên kết.
• Separation: sự tách.
• Catalyst: chất xúc tác.
• Reaction: phản ứng.

• P: sản phẩm.
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 10
Free
energy: năng lượng hoạt hóa.
Energy
barrier: hàng rào năng lượng
Reactants
: các chất phản ứng
Catalyzed reaction
: Phản ứng xúc tác.
Products
: các sản phẩm
Uncatalyzed reaction
: phản ứng không xúc tác
Course of
reaction: tiến trình phản ứng
E
a
: năng lượng hoạt hóa
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
11 8/30/2012 Động học Xúc tác
KHOA HĨA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác
12
Các thuộc tính của chất xúc tác
Hoạt độ (the Acivity)
Độ chuyển hóa (Conversion):

Tốc độ (Rate):

Tần số ln chuyển (TurnOver Frequency):
TOF = số phân tử sản phẩm được hình thành trong một đơn vị diện
tích chất xúc tác, cm
2
, và trong một giây (molecules.cm
-2
.sec
-1
).
Số mol của chất phản ứng đã chuyển hóa

Số mol của chất phản ứng đưa vào
X 
   
Số mol của sản phẩm

Thể tích của chất xúc tác . Thời gian
i
v 
KHOA HĨA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 13
Số phân tử của sản phẩm
TOF
(Diện tích bề mặt của chất xúc tác).(Thời gian)

Số phân tử của sản phẩm
TOF
(Số mol của tâm hoạt tính).(Thời gian)


Hay TOF = số phân tử sản phẩm được tạo thành trên một
tâm hoạt tính của chất xúc tác trong một giây
(molecules.sec
-1
).
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 14
TOF = số phân tử sản phẩm được tạo thành trên một
tâm hoạt tính của chất xúc tác trong một giây
(molecules.sec
-1
).
TOT = 1/TOF = thời gian luân chuyển (turnover time),
thời gian cần thiết để tạo thành một phân tử sản phẩm
(giây, sec).
TOR = Tốc độ luân chuyển (Turnover rate) = TOF X
Diện tích bề mặt.
TON= TOF X Tổng thời gian phản ứng. TON = 1 (
stoichiometry); Trong công nghiệp thì TON >100 mới
thỏa mãn yêu cầu.
KHOA HĨA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 15
Độ chọn lọc (The Selectivity)
Chọn lọc Hóa học
Chọn lọc lập thể

Số mol sản phẩm mong muốn

Số mol chất phản ứng đã chuyển hóa
.

X 
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 16
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 17
Độ bền (The Stability)
Số năm sử dụng
Lượng sản phẩm tạo ra / Lượng xúc tác sử dụng
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Tùy thuộc vào loại xúc tác mà thành phần
của một chất xúc tác (hệ xúc tác) có thể
là: Nguyên tử, phân tử, đơn chất, hợp
chất. Thông thường, một hệ xúc tác có
thể có các thành phần sau:
Pha họat động: tâm hoạt động
chính, chất cải tiến (phụ gia).
Pha nền (chất mang): để phân tán
tâm họat động, bổ trợ tính năng xúc
tác và giảm giá thành.
Chất phụ trợ.
Ví dụ: một hệ xúc tác dị thể thường có:
8/30/2012 Động học Xúc tác 18
Thành phần của chất xúc tác
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
19
8/30/2012 Động học Xúc tác
Chất xúc tác
(Catalysts)
Chất xúc tác
đồng thể

(Homogeneous
catalysts)
Chất xúc tác
axit/bazơ
(Acid/Base
catalysts)
Chất xúc tác của
hợp chât các
kim loại chuyển
tiếp (Transtion
metal
compouds)
Chất xúc tác Dị
thể
(Heterogeneous
catalysts)
Chất xúc tác
khối (Bulk
catalysts)
Chất xúc tác giá
mang
(Supported
catalysts)
Chất xúc tác
sinh học
(Biocatalysts)
Chất xúc tác
đồng thể được
dị thể hóa
(Heterogenized

homogeneous
catalysts)
Chất xúc tác
chuyển pha
(Phase Transfer
catalysts)
Phân loại xúc tác
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 20
Cụ thể:
Dựa vào trạng thái vật lý, chất xúc tác có ba loại:
Khí, gas
Lỏng, liquid
Rắn, solid
Dựa vào chất cấu tạo, chất xúc tác có hai loại:
Vô cơ, Inorganic (gases, metals, metal oxides, inorganic
acids, bases, )
Hữu cơ, Organic (organic acids, enzymes etc.)
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 21
Dựa vào cách thức hoạt động, chất xúc tác có hai loại:
Đồng thể, Homogeneous – cả chất xúc tác và tất cả các tác chất,
sản phẩm là cùng pha (khí hay rắn).
Dị thể, Heterogeneous – hệ phản ứng gồm nhiều pha (chất xúc
tác + tác chất, chất phản ứng)
Dựa vào chức năng, chất xúc tác có các loại:
Axít – Bazơ (Acid-base catalysts)
Xúc tác Enzymatic (Enzymatic)
Xúc tác quang (Photocatalysis)
Xúc tác điện tử (Electrocatalysis),

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 22
Ví dụ: Xúc tác đồng thể
 Phản ứng phân hủy tầng ozone
O
3
+ O  2O
2

Khi có Cl:
Cl + O
3
 ClO
3

ClO
3
 ClO + O
2

ClO + O  Cl + O
2

Ví dụ: Chất xúc tác đồng thể : transition metal catalyst
Mn
2+

2 MnO
4
-

+ 16 H
+
+ 5 C
2
O
4
2-
→ 2 Mn
2+
+ 8 H
2
O + 10 CO
2

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 23
CH
3
COOH(l) + CH
3
OH(l)  CH
3
COOCH
3
(l) + H
2
O(l)
R C
O
OH

O H
R
Không có chất xúc tác H
+

giai đoạn nà diễn ra chậm
R C
O
OH
H
+
R C
OH
OH
O H
R
R C
O
O R
-H
+
Ví dụ: Chất xúc tác đồng thể: xúc tác axit trong phản ứng ester
hóa
Có chất xúc tác H
+
giai đoạn
này diễn ra nhanh hơn
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 24
Ví dụ: Chất xúc tác sinh học

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
8/30/2012 Động học Xúc tác 25
Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bước.
• Bước 1, thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men
Amylaza.
(C
6
H
10
O
5
)
n
-> C
12
H
22
O
11

• Bước 2, thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới
tác dụng của men mantaza (Enzyme Mantasase).
C
12
H
22
O
11
-> C
6

H
12
O
6

• Bước 3, phản ứng lên men rượu có xúc tác là men zima.
C
6
H
12
O
6
-> 2 C
2
H
5
OH + 2 CO
2