Kỹ thuật hóa học đại cương chương mở đầu

MỞ ĐẦU
1.1. Khái niệm về quá trình công nghệ hóa học
Công nghệ là một ngành khoa học nghiên cứu các phương pháp và quá trình chế biến
nguyên liệu thành sản phẩm tiêu dùng và các phương tiện cho các ngành sản xuất.
Người ta thường chia công nghệ làm hai lọai: cơ học và hóa học. Công nghệ cơ học
nghiên cứu các quá trình làm thay hình dạng bên ngoài của vật liệu. Công nghệ hóa học nghiên
cứu các quá trình làm thay đổi thành phần và cấu trúc nội tại của các chất, thực hiện bằng phản
ứng hóa học.
Quá trình công nghệ hóa học là quá trình sản xuất một sản phẩm nào đó mà nguyên liệu
phải qua từ đầu cho đến khi tạo thành sản phẩm được biến đổi bằng việc áp dụng các phản ứng
hóa học.
Công nghệ hóa học hiện đại sử dụng các thành tựu của hóa học, vật lý, tóan học, sinh học,
kinh tế, công nghiệp… để nghiên cứu và cải tiến các quá trình vật lý và hóa học các biện pháp
thực hiện và khống chế các quá trình này, nhằm sản xuất ở phạm vi công nghiệp các chất các vật
liệu khác nhau một cách tối ưu nhất.
Những nhiệm vụ chủ yếu của quá trình công nghệ hóa học:
- Biến đổi một số chất và vật liệu (nguyên liệu, bán thành phẩm) thành những chất khác có
những tính chất có ích.
- Nghiên cứu thiết kế, lựa chọn qui trình và điều kiện sản xuất, xác định cấu tạo thiết bị và
vật liệu chế tạo.
- Thiết lập những điều kiện có lợi nhất cho việc sản xuất công nghiệp các sản phẩm và
thiết kế các thiết bị dụng cụ kỹ thuật tương ứng. Nói một cách khác, xác định hiệu quả
kinh tế và giải quyết hàng loạtvấn đề kinh tế - kỹ thuật. Những chỉ tiêu quan trọng
nhất, đặc trưng cho hiệu quả kinh tế của các quá trình công nghệ hóa học là:
+ Tiêu hao nguyên vật liệu, năng lượng cho một đơn vị sản phẩm thấp;
+ Hiệu suất và chất lượng sản phẩm cao;
+ Vốn đầu tư ít và khấu hao nhanh;
+ Giá thành sản phẩm hạ.
- Sử dụng tòan diện nguyên liệu và năng lượng, phối hợp với những ngành sản xuất khác
khắc phục hiện tượng làm ô nhiễm môi trường.
Một quá trình hóa học gồm có ba giai đoạn:

+ Đưa tác nhân vào vùng phản ứng.
+ Các phản ứng hóa học.
+ Đưa sản phẩm ra khỏi vùng phản ứng.
a) Đưa tác nhân vào vùng phản ứng:
Có thể dùng các biện pháp: khuếch tán phân tử hay đối lưu, hấp phụ, hấp thụ, hòa tan,
ngưng tụ, nấu chảy, hóa hơi…
b) Phản ứng hóa học:
Có thể xảy ra theo các cách: nối tiếp nhau; song song với nhau; hay vừa song song vừa
nối tiếp nhau.
c) Dẫn sản phẩm ra khỏi vùng phản ứng:
Có thể tiến hành bằng khuếch tán đối lưu, chuyển chất từ pha này sang pha khác (khí,
lỏng, rắn)
Các biện pháp đưa ra khỏi vùng phản ứng sẽ ngược với các biện pháp đưa tác nhân vào.
- Nếu phản ứng hóa học (giai đọan 2) có tốc độ chậm nhất và quyết định tốc độ chung của
quá trình hóa học thì phản ứng được tiến hành trong vùng động học. Trong trường hợp này,
muốn tăng tốc quá trình thì phải tăng những yếu tố ảnh hưởng mạnh lên tốc độ phản ứng hóa họa
như nồng độ chất đầu, nhiệt độ, chất xúc tác…
- Nếu tốc độ chung được quyết định bởi quá trình dẫn nguyên liệu vào hay ra(giai đọan 1,
3) thì phản ứng hóa học xảy ra trong vùng khuếch tán. Như vậy, ở vùng này, mốn tăng tốc độ
phải dùng phương pháp khuấy trộn, chuyển hệ từ nhiều pha thành một pha.
- Nếu tốc độ của cả ba giai đọan thành phần xấp xỉ nhau thì trước tiên cần phải tác động
vào các yếu tố tăng nhanh sự khuếch tán, cũng như tăng nồng độ các chất đầu và nhiệt độ.
1.2. Một số định nghĩa cơ bản
 Năng suất P
Năng suất (thiết bị, phân xưởng, nhà máy) là lượng sản phẩm tạo ra hay lượng nguyên liệu
chết biến trong một đơn vị thời gian.
Nếu gọi G là trọng lượng, Vs là thể tích sản phẩm (hay nguyên liệu), τ là đơn vị thời gian
thì năng xuất P được tính:

P có thể tính bằng T/ng; Kg/h; m

3
/ng; m
3
/h.
 Công suất Q: là năng suất tối đa có thể đạt được
 Cường độ làm việc I
Cường độ làm việc I của thiết bị là năng suất của thiết bi6 tính theo một đại lượng đặc
trưng (thể tích, diện tích bề mặt…).
Ví dụ: nếu V là thể tích của thiết bị thì:

I có thể tính bằng T/h.m
3
(theo thể tích), m
3
/m
2
∙h (theo bề mặt tiết diện).
 Tiêu phí
Tiêu phí nguyên liệu, nước, năng lượng cho một đơn vị sản phẩm.
 Độ chuyển hóa
Độ chuyển hóa của nguyên liệu A là tỉ lệ A đã chuyển hóa so với ban đầu.
Nếu có nhiều tác nhân A, B, C, thì mỗi chất có độ chuyển hóa của mình x
A
, x
B
, x
C
… nếu
các chất ấy có tỷ lệ hợp thức thì x
A

= x
B
= x
C
, nếu không thì các giá trị ấy sẽ khác nhau.
Trường hợp đã xác định tính theo nguyên liệu chủ yếu thì chỉ cần ghi x không có chỉ số A,
B, C.
Theo định nghĩa thì:

G
o
- lượng nguyên liệu ban đầu
G – lượng nguyên liệu còn lại chưa phản ứng hết.
 Hiệu suất sản phẩm Φ
S

Hiệu suất sản phẩm thu được Φ
S
là tỉ lệ lượng sản phẩm thực tế thu được G
s
trên lượng tối
đa thu được G
max
nếu chuyển hóa hòan tòan.

Cũng có thể biểu diễn thông qua lượng tác nhân A:

Như vậy: Φ
S
= x → Hiệu suất sản phẩm là độ chuyển hóa của nguyên liệu.

Nếu phản ứng thuận nghịch thì G
s
không thể đạt tới G
max
được mà cao nhất là tại thời điểm cân
bằng, đạt tới G
*
s, khí đó:

Dấu (*) thể hiện trị số ở trạng thái cân bằng.
1.3. Quá trình xúc tác
1.3.1. Định nghĩa
Xúc tác là một hiện tượng làm thay đổi tốc độ phản ứng gây ra do tác dụng một chất gọi
là chất xúc tác. Những phản ứng như thế gọi là phản ứng xúc tác. Chất xúc tác (theo Ostawld) là
chất mà sự có mặt của nó làm thay đổi tốc độ phản ứng, lượng của nó không thay đổi và không
xuất hiện trong phương trình tỷ lượng, nhưng có mặt trong phương trình tốc độ.
Dưới tác dụng của chất xúc tác tốc độ phản ứng có thể tăng hoặc giảm, nếu làm tăng tốc
độ gọi là xúc tác dương, còn giảm thì xúc tác âm. Những phản ứng trong đó chất phản ứng (chất
đầu, chất cuối) đóng vai trò chất xúc tác gọi là phản ứng tự xúc tác. Những phản ứng làm thay
đổi tốc độ phản ứng do chính các chất sinh ra trong phản ứng (chất trung gian) thì tốc độ phản
ứng tăng nhanh thời gian.
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 di thể. Xúc tác đồng thể thường gặp là xúc tác
axit - bazơ. Ngoài ra còn có xúc tác nucleofil, xúc tác electrofil, xúc tác bằng phức kim loại
chuyển tiếp hoặc ion của nó Xúc tác đóng vai trò to lớn trong công nghiệp hóa học cũng như
trong thiên nhiên.
1.3.2. Phân loại
Các chất xúc tác có thể ở dạng khí, rắn, lỏng. Dựa theo pha của chất xúc tác và
chất phản ứng, các quá trình xúc tác được chia thành 2 nhóm chính:

a) 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:
CH
4
+ O
2
H
2
C=O (pha khí)
H
2
O
2
½ O
2
+ H
2
O (pha lỏng)
Trong thực tiễn xúc tác đồng thể trong dung dịch thường gặp nhất đặc biệt đối với hợp
chất hữu cơ là xúc tác axit-bazơ. Ngòai ra còn có xúc tác nucleofi, electrofil, xúc tác bằng phức
kim lọai chuyển tiếp v.v…
b) 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).
Phản ứng xúc tác dị thể có vai trò quan trọng và được áp dụng rộng rãi trong công nghệ hóa học.
Ngoài ra, còn có những hệ dị thể pha rắn (chất xúc tác) pha lỏng (chất tham gia phản ứng và sản
phẩm).
Trong quá trình xúc tác dị thể phản ứng diễn ra ở lớp giới hạn phần chia pha. Vì vậy, đối

với phản ứng xúc tác dị thể việc chuyển chất tham gia phản ứng từ pha khí hay lỏng đến miền
phản ứng đóng vai trò rất quan trọng. Mặt khác, hoạt tính của chất xúc tác phụ thuộc vào độ lớn,
tính chất của bề mặt, cấu tạo và trạng thái của nó. Các hiện tượng này có quan hệ mật thiết với
hiện tượng bề mặt, quá trình khuếch tán và hấp phụ.
Ðặc điểm của phản ứng xúc tác dị thể là phản ứng diễn ra nhiều giai đoạn, thể hiện tính
chọn lọc (đặc thù) một cách rõ rệt. So với xúc tác đồng thể, xúc tác dị thể 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.
Các giai đọan của quá trình xúc tác dị thể:
- Chuyển chất phản ứng đến bề mặt chất xúc tác (không tan).
- Phản ứng trên bề mặt của chất xúc tác hình thành sản phẩm.
- Tách sản phẩm phản ứng khỏi bề mặt chất xúc tác.
Ví dụ: phản ứng hydrogen hóa etylen dưới tác dụng xúc tác của Ni, Pt, hay Pd:

CH
2
=CH
2
+ H
2
CH
3
– CH
3

– Đầu tiên phân tử etylen và hydro bị hấp phụ lên tâm hoạt động của bề mặt kim
loại.
– Liên kết hydro bị đứt và nguyên tử hydro di chuyển trên bề mặt kim loại

– Khi 1 nguyên tử H va chạm với 1 phân tử etylen trên bề mặt thì lk  C-C bị đứt
và 1 liên kết  C-H được hình thành
– Khi phân tử C
2
H
6
tạo thành thì nó sẽ được giải hấp ra khỏi bề mặt của xúc tác.
– Khi etylen và H
2
bị hấp phụ lên bề mặt xúc tác thì năng lượng cắt đứt liên kết và
năng lượng hoạt hoá của phản ứng sẽ nhỏ hơn so với khi không dùng xúc tác.
c)Xúc tác vi dị thể: gồm xúc tác men và xúc tác dạng keo.
Xúc tác dạng keo được tiến hành trong pha lỏng với sự tham gia của các hạt keo đóng vai
trò chất xúc tác.
Bên cạnh các chất xúc tác vô cơ, hữu cơ, còn có nhiều loại men (ferments, enzymes)
cùng được làm chất xúc tác (xúc tác sinh hóa). Loại xúc tác này có vai trò quan trọng trong công
nghệ sinh học trong đời sống, ví dụ xúc tác men được sử dụng rộng rãi trong công nghệ thực
phẩm như chế biến rượu, nước chấm
Men là những chất hữu cơ phức tạp thường do cơ thể của động thực vật tiết ra. Men là
chất xúc tác có nguồn gốc protein, nghiã 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.
1.3.3. Các đặc tính của chất xúc tác
- Chất xúc tác không bị thiêu thụ trong quá trình phản ứng. Lượng chất xúc tác không thay
đổi ở trạng thái đầu và cuối của phản ứng.
- Tác dụng của chất xúc tác là làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách hướng phản ứng theo
con đường mới với năng lượng hoạt động hóa thấp hơn so với khi không có chất xúc tác. Chất

xúc tác càng hoạt động mạnh thì tác dụng làm giảm năng lượng hoạt động hóa càng nhiều.
Ngược lại chất ức chế làm tăng năng lượng họat hóa. Trung thực tế, nó được ứng dụng để giữ lại
các chất mong muốn và làm chậm quá trình phân hủy.
Xét phản ứng: A + B → D
-Khi không có xúc tác
A + B → AB
#

AB
#
→ D
-Khi có xúc tác
A + [K] ↔ A[K]
#

A[K]
#
+ B → AB[K]
#

AB[K]
#
→ D + [K]

Hình 1.1. Năng lượng trong tương tác hóa học

- Mỗi chất xúc tác chỉ có tác dụng xúc tác cho một quá trình ở điều kiện xác định. Tính
chất đó có thể gọi là tính chọn lọc của chất xúc tác. Nhờ tính chất chọn lọc của chất xúc tác mà
người ta có thể hướng cho phản ứng theo hướng nhất định, tạo ra sản phẩm nhất định.
Ví dụ từ một chất phản ứng C
2
H
5
OH có thể chuyển theo các hướng khác nhau cho sản
phẩm khác nhau khi sử dụng chất xúc tác khác nhau ở điều kiện xác định.

- Chất xúc tác làm tăng tốc độ của phản ứng không làm chuyển dịch trạng thái cân bằng
của phản ứng, nhưng nó làm cho cân bằng được thiết lập nhanh chóng hơn. Trường hợp phản
ứng thuận nghịch khi ở trạng thái cân bằng chất xúc tác làm tốc độ của phản ứng thuận bao nhiêu
lần thì nó cũng làm tăng tốc độ phản ứng nghịch lên bấy nhiêu lần. Vì chất xúc tác đều có mặt
bên vế phải và trái của phương trình tỷ lượng.
Ví dụ:

Như vậy chất xúc tác chỉ có vai trò trong các quá trình trung gian của phản ứng, có nghĩa
là nó không có mặt trong phương trình tỷ lượng. Hằng số cân bằng của phản ứng chỉ phụ thuộc
vào trạng thái đầu và cuối của phản ứng, không phụ thuộc vào quá trình trung gian, do đó chất
xúc tác không có ảnh hưởng gì đến hằng số cân bằng cả.
- Chất xúc tác chỉ làm tăng tốc độ phản ứng chứ không thể gây ra được phản ứng. Ở nhiệt
độ và áp suất không đổi, phản ứng tự diễn ra được khi ∆G < 0. Tùy theo giá trị của ∆G mà phản

ứng có thể tự diễn ra được hoặc không xảy ra được. Đối với phản ứng với tốc độ bé (biến đổi
không nhận ra) khi dùng chất xúc tác sẽ làm tăng tốc độ phản ứng. Trong trường hợp ∆G > 0
phản ứng không tự diễn ra được dù có sử dụng chất xúc tác gì đi nữa cũng không thể làm cho
phản ứng tự tiến triển được.
Vậy chất xúc tác chỉ có tác dụng làm tăng tốc độ chứ không thể làm điều kiện tự diễn biến
được.
1.3.4. Cơ chế xúc tác
Cơ chế xúc tác đồng thể: có nhiều giả thuyết để giải thích cơ chế xúc tác nhưng đều thống
nhất ở chỗ quá trình trình xúc tác bắt đầu bằng sự kết hợp giữa chất xúc tác và cơ chất thành hợp
chất trung gian.

Chất xúc tác kết hợp với các chất phản ứng (cơ chất) tạo thành hợp chất trung gian với
năng lượng họat hóa thấp. Hợp chất trung gian không bền phân hủy thành sản phẩm và
chất xúc tác ban đầu.
Cơ chế xúc tác dị thể:
 Khuếch tán chất pư từ ngoài đến bề ngoài mặt chất xúc tác.
 Hấp phụ chất phản ứng trên bề mặt (tại tâm hoạt động của bề mặt xúc tác).
 Phản ứng trên bề mặt.
 Giải hấp sản phẩm phản ứng khỏi bề mặt.
 Khuếch tán sản phẩm từ bề mặt ra ngoài.
1.3.5. Chất ngộ độc xúc tác
Hiện tượng chất xúc tác bị “ngộ độc” là hiện tượng rất phổ biến. Đó là sự giảm hoặc mất hẳn
hoạt tính của chất xúc tác dưới tác dụng của những “chất độc xúc tác” như lưu huỳnh, chì,
arsen…
Chất độc xúc tác thường có mặt dưới dạng tạp chất của các nguyên liệu đầu. Sự giảm hoạt
tính xảy ra do hậu quả sự mất từng phần hay hòan tòan bề mặt họat động của chất xúc tác.
Có 2 lọai cơ chế ngộ độc là: nhiễm độc cơ học và nhiễm độc hóa học. Nhiễm độc hóa học còn
được chia ra làm nhiễm độc hóa học thuận nghịch và nhiễm độc hó học không thuận nghịch.
Nhiễm độc cơ học động xảy ra do sự che phủ bề mặt hoạt động bởi các tạp chất cơ học như
bụi, dầu, mỡ…trên bề mặt chất xúc tác tạo thành lớp màng, có thể dẫn đến sự làm hẹp hoặc bịt

kín các cửa đi vào lỗ xốp của chất xúc tác, làm cản trở quá trình khuếch tán, thay đổi hoạt tính và
độ chọn lọc của chất xúc tác xốp, hay giảm bề mặt họat động khi tăng nhiệt độ do sự kết tinh lại
nung chảy, nấu chảycác tinh thể.
Nhiễm độc hóa học: do hậu quả tác dụng hóa học giữa chất độc với chất xúc tác tạo thành
hợp chất không họat động, hấp phụ chất độc lên trung tâm họat động của chất xúc tác, kết tinh
các chất độc hay dẫn xuất của nó trên bề mặt của chất xúc tác.
+ Nhiễm độc thuận nghịch: hoạt độ của chất xúc tác bị giảm xuống trong thời gian có mặt
chất độc trong hỗn hợp phản ứng. Khi đưa hỗn hợp sạch vào thì hợp chất giữa chất xúc tác và
chất độc bị phân hủy, chất độc đã hấp thụ vào sẽ thăng hoa và được tách ra cùng sản phẩm phản
ứng.
+ Nhiễm độc không thuận nghịch: chất xúc tác đã bị nhiễm độc phải lấy ra khỏi thiết bị và
thay thế bằng xúc tác mới hoặc đem tái sinh lại.
Để tránh cho các chất xúc tác không bị nhiễm độc thì hỗn hợp nguyên liệu phản ứng phải làm
sạch sơ bộ trước khi đưa vào thiết bị phản ứng. Nguyên nhân có thể là do cấu trúc bề mặt bị biến
đổi.
Các chất xúc tác kim loại là các chất dễ trở thành các "chất độc xúc tác" nhất. Thông thường,
nhiễm độc chất xúc tác không mong muốn như nó dẫn đến một sự mất mát của tính hữu dụng
của các kim loại đắt tiền cao quý. Tuy nhiên, ngộ độc các chất xúc tác có thể được sử dụng để cải
thiện tính chọn lọc các phản ứng.
1.4. Cân bằng hoá học
1.4.1. Các định nghĩa
Phản ứng chỉ xảy ra theo một chiều tứ trái sang phải gọi là phản ứng một chiều.
Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau.
Về nguyên tắc, mọi phản ứng đều là phản ứng thuận nghịch. Tuy nhiên nếu vận tốc của
một chiều nào đó lớn hơn hẳn vận tốc của chiều kia thì phản ứng được xem như một chiều.
Trong phản ứng thuận nghịch tốc độ phản ứng quá trình thuận và quá trình nghịch là khác
nhau. Tốc độ của cả quá trình sẽ bằng tốc độ thuận và nghịch: V
pứ
= V
t

+ V
n
.
Cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ của phản ứng thuận
bằng tốc độ của phản ứng nghịch hay tốc độ của cả quá trình bằng 0 ở điều kiện nhất định. Cân
bằng hóa học là cân bằng động vì ở trạng thái cân bằng, phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn
đang xảy ra. Tại trạng thái cân bằng: V
t
= V
n
có nghĩa là trong 1 đơn vị, nồng độ các chất pứ
giảm đi bao nhiêu theo phản ứng thuận thì lại được tạo ra bấy nhiêu theo phản ứng nghịch.
Các chất phản ứng không chuyển hóa hòan tòan thành sản phẩm nên trong hệ cân bằng
luôn luôn có mặt chất phản ứng và sản phẩm.
Trạng thái cân bằng hóa học biểu diễn trạng thái giới hạn đạt được sau một thời gian phản
ứng trong hệ cô lập và chỉ có tác động bên ngòai mới có thể thay đổi được trạng thái này. Điều
này có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tế để khống chế các yếu tố ảnh hưởng sao cho phản ứng
xảy ra theo chiều mong muốn.
Trên qua điểm Nhiệt Động Học trạng thái cân bằng là trạng thái khi các thông số trạng thái
đều như nhau và không biến đổi theo thời gian hoặc nếu có biến đổi thì biến đổi vô cùng nhỏ.
Điện cân bằng xảy ra khi ∆G = 0
1.4.2. Hằng số cân bằng K
A + B ↔ C + D
Gọi V
t
là tốc độ phản ứng thuận
V
n
là tốc độ phản ứng nghịch
V

t
= k
t
[A][B]
V
n
=k
n
[C][D]
Tại lúc cân bằng V
t
= V
n


k
t
[A][B] = k
n
[C][D]

= K
Với các phản ứng thuận nghịch cân bằng sẽ đạt được khi tích số nồng độ của các chất tạo
thành sau phản ứng chia cho tích số nồng độ các chất tham gia phản ứng là một hằng số tại một
nhiệt độ cho trước, hằng số đó được gọi là hằng số cân bằng và kí hiệu là K.
Tổng quát:
aA + bB ↔ cC + dD

Nếu K lớn, phản ứng xảy ra theo 1 chiều ( thuận).
K không phụ thuộc nồng độ các chất mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Ví dụ:
N
2
O
4
(k) ↔ 2NO
2
(k)

Hằng số cân bằng biều diễn qua một số đại lượng
Cho phản ứng: aA + bB ↔ cC + dD
Trong đó p
i
là áp suất riêng phần của chất i
Trong đó C
i
là nồng độ mol của chất i ở trạng thái cân bằng.
Trong đó n
i
là là số mol khí i ở TTCB
Mối liên hệ giữa K
p
và K
c
: thay p
i
V = n
i
RT vào K
p

ta được K
p
= K
c
(RT)
∆γ
trong đó ∆γ = (c
+ d ) – (a + b)
Mối liên hệ giữa K
p
và K
n


1.4.3. Sự chuyển dịch cân bằng
Sự dịch chuyển cân bằng hóa học là sự dịch chuyển từ trạng thái cân bằng này đến trạng thái
cân bằng khác do tác động của các yếu tố bên ngòai lên cân bằng. Các yếu tố làm chuyển dịch
cân bằng là nồng độ, áp suất, nhiệt độ. Chúng được gọi là các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng
hóa học.
Nguyên lý dịch chuyển cân bằng (Nguyên lý Le Chaterlier): “một hệ đang ở trạng thái cân
bằng khi chịu tác động từ bên ngoài làm thay đổi một trong các yếu tố quyết định vị trí cân bằng
(như biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ) thì trong hệ sẽ xảy ra một quá trình theo chiều làm giảm
ảnh hưởng của tác động bên ngoài đó”.
1. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển dịch cân bằng:
Khi tăng nhiệt độ của phản ứng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ của
phản ứng
- Phản ứng tỏa nhiệt: khi tăng nhiệt độ, cân bằng phản ứng sẽ dịch chuyển theo chiều nghịch.
Ngược lại, khi giảm nhiệt độ, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều thuận.
- Phản ứng thu nhiệt: khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều thuận và ngược
lại.

2. Sự ảnh hưởng của nồng độ đến chuyển dịch cân bằng: K
c
của phản ứng xác định chỉ phụ
thuộc vào nhiệt độ, nên khi tăng hoặc giảm đẳng nhiệt nồng độ một chất nào đó có mặt trong
biểu thức của K
c
, thì cân bằng sẽ chuyển dịch sang phía làm giảm hoặc tăng nồng độ chất đó để
giữa cho K
c
không đổi. Sự thêm bớt lượng chất rắn hay lỏng nguyên chất không làm cân bằng
chuyển dịch.
3. Sự ảnh hưởng của áp suất đến chuyển dịch cân bằng.
Áp suất tỉ lệ thuận với số mol chất khí. Dựa vào biểu thức K
p
ta thấy khi tăng áp suất thì cân
bằng chuyển dịch về phía giảm áp suất và ngược lại.
1.4.4. Động lực của quá trình
Đối với phản ứng hệ đồng thể thì động lực quá trình kí hiệu là ∆C bằng tích các nồng độ
chất phản ứng tại thời điểm đang xét.
+ Đối với phản ứng một chiều:
aA + bB → cC
Tốc độ phản ứng được biểu diễn bởi biểu thức: V = k∙C
A
a
C
B
b
Đặt ∆C = C
A
a

C
B
b
– là động lực quá trình.
V = k∙∆C
+ Đối với phản ứng hai chiều:
aA + bB ↔ cC
V = k∙(C
A
– C
A
*
)
a
(C
B
– C
B
*
)
b

∆C = (C
A
– C
A
*
)
a
(C

B
– C
B
*
)
b

Vậy muốn tăng tốc độ quá trình ta cần tăng hằng số tốc độ k và động lực quá trình.
1.4.5.Các phương pháp tăng tốc độ của quá trình
1. Tăng nồng độ các chất tham gia phản ứng
Từ biểu thức về sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ các chất phản ứng ( định
luật tác dụng khối lượng) ta thấy việc tăng nồng độ của bất kì chất nào trong số những chất tham
gia phản ứng đều có tác dụng tăng tốc phản ứng. Do đó, trong thực tế người ta thường cho dư
những chất rẻ tiền. Việc tăng nồng độ các chất phản ứng còn làm cho kích thước thiết bị phản
ứng bé hơn, chi phí vận chuyển giảm đi, nhiều chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật khác cũng thay đổi.
Tuy nhiên, trong thực tế, tăng nồng độ các chất phản ứng không phải bao giờ cũng có lợi.
Đối với những phản ứng mà tốc độ quá nhanh, có tính chất tức thời, có thể đem lại những hiệu
quả không tốt như cháy, nổ. Cho nên phải nghiên cứu và tính tóan cẩn thận các chất tham gia
phản ứng để có nồng độ có lợi, hợp lí nhất và an toàn nhất.
2. Chuyển nhanh sản phẩm khỏi vùng phản ứng
Biện pháp tách sản phẩm phản ứng ra khỏi khu vực phản ứng là nhằm giảm tốc độ của
phản ứng nghịch hoặc hạ thấp nồng độ cân bằng để tăng chênh lệch giữa nồng độ thực và nồng
độ cân bằng; do đó làm tăng tốc độ của phản ứng.
3. Tăng nhiệt độ của quá trình
Sự thay đổi nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến hằng số tốc độ của phản ứng hóa học, và ở
mức độ thấp hơn, cả đến hệ số khuếch tán của quá trình công nghệ.
Phương trình Arrhenius biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ:

A-hằng số Arrhenius
E

A
- năng lượng họat hóa
R-hằng số khí lý tưởng (= 8.3 jun/mol.độ)
Phần lớn các phản ứng còn tuân theo nguyên lý Vanhoff: khi tăng nhiệt độ phản ứng lên
10
o
(torng phạm vi từ 10 đến 400
o
C và năng lượng họat hóa từ 63 – 125 kilojun/mol.độ), thì tốc
độ của phản ứng tăng từ 2-4 lần.
Sự tăng nhiệt độ đều làm tăng tốc độ của tất cả các giai đọan của quá trình công nghệ. Về
phương diện thuần túy động học, ta thấy càng tăng nhiệt độ càng có lợi. Nhưng trong thực tế nó
bị hạn chế bởi nhiều nguyên nhân khác.
- Sự tăng nhiệt độ cũng làm tăng tốc độ phản ứng nghịch trong các phản ứng thuận nghịch,
do đó làm thay đổi hằng số cân bằng của phản ứng. Thêm vào đó với các phản ứng tỏa nhiệt tăng
nhiệt độ sẽ làm cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch. Ta cần tìm nhiệt độ tối ưu trên cơ sở
tính toán về nhiệt động học và động học các phản ứng hóa học.
- Trong nhiều trường hợp, đặc biệt trong quá trình sản xuất các chất hữu cơ, khi tăng nhiệt
độ, thường xuất hiện các phản ứng phụ có tốc độ nhiều khi tăng nhanh hơn cả phản ứng chính.
- Đôi khi, các chất tham gia phản ứng hoặc sản phẩm của các quá trình công nghệ có độ
bền thấp.
4. Dùng áp suất cao
Khi tăng áp suất làm cho nồng độ của các chất phản ứng tương ứng tăng lên. Cho nên vai
trò của việc tăng áp suất đối với tốc độ phản ứng giống như tăng nồng độ các chất phản ứng.
Ảnh hưởng của áp suất lên tốc độ phản ứng thuận nghịch, ở thể khí, thể hiện khác nhau tùy
theo phản ứng làm tăng hoặc giảm thể tích.
Đối với những phản ứng giảm thể tích thì áp suất càng cao, tốc độ phản ứng càng lớn; cân
bằng dịch chuyển theo chiều tăng sản phẩm, nên hiệu suất càng lớn. Nhưng áp suất càng cao thì
độ nén của chất khí giảm xuống rất nhanh; hiệu suất sản phẩm càng tăng chậm. Vì vậy, tiến hành
các quá trình công nghệ ở áp suất ứng với đọan đường cong gần nằm ngang sẽ không có lợi.

Còn đối với những phản ứng tăng thể tích thì hiệu suất sản phẩm phụ thuộc áp suất theo
một đường cong có cực đại.

1. Phản ứng giảm thể tích
2. Phản ứng tăng thể tích
Hình 1.2 Sự phụ thuộc của hiệu suất sản phẩm vào áp suất
trong phản ứng thuận nghịch của các chất khí.
5. Dùng xúc tác
Sử dụng xúc tác là một biện pháp làm tăng tốc độ phản ứng rất có hiệu quả. Tham gia vào
quá trình phản ứng, chất xúc tác chuyển phản ứng từ một giai đọan thành hai hoặc nhiều giai
đọan. Mỗi giai đọan là một phản ứng đòi hỏi năng lượng họat hóa bé hơn phản ứng không có xúc
tác rất nhiều. Vì vậy làm tăng hằng số tốc độ của phản ứng lên rất lớn.
Các chất xúc tác dùng trong công nghiệp phải bảo đảm được các yêu cầu sau:
- Họat tính cao, năng suất lớn;
- Có tính chọn lọc cao, nghĩa là chỉ làm tăng tốc độ của những phản ứng nhất định;
- Nhiệt độ thực hiên phản ứng thấp;
- Có độ bền cao, bền đối với các chất gây ngộ độc xúc tác.
- Dễ tái sinh.
6. Khuấy trộn
Khuấy trộn có tác dụng làm giảm trở lực của quá trình khuếch tán, do đó làm tăng tốc độ
của quá trình này. Quá trình này chỉ có lợi khi quá trình công nghệ xảy ra ở miền khuếch tán.
Khi quá trình đã chuyển sang miền động học thì biện pháp khuấy trộn không có tác dụng, thậm
chí còn làm giảm tốc độ phản ứng.
7. Tăng bề mặt tiếp xúc giữa các pha
Đây là phương pháp áp dụng cho các hệ dị thể. Mỗi loại hệ có một số biện pháp giải quyết
thích hợp.
Ví dụ:
- Đối với hệ khí – lỏng ta có thể tưới chất lỏng lên vật đệm, phun chất lỏng thành
bụi hay cho chất khí sục qua khối chất lỏng.
- Đối với hệ khí rắn và lỏng rắn ta nghiền nhỏ pha rắn và dùng các biện pháp khuấy

trộn
8. Những phương pháp khác
Trong công nghiệp hóa chất, người ta còn sử dụng ngày càng nhiều phương pháp khác như:
quang hóa, hóa bức xạ, sinh hóa, siêu âm, plasma để tăng tốc độ quá trình.