Bài giảng hóa kỹ thuật môi trường chương 3 ths lê nguyễn kim cương

Chương 3: ĐỘNG HỌC VÀ XÚC TÁC

TÊN MÔN HỌC:
HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Mục tiêu:
v Hiểu thế nào là tốc độ phản ứng, xúc tác.

CHƯƠNG 3:
ĐỘNG HỌC VÀ XÚC TÁC
Giảng viên:
ThS Lê Nguyễn Kim Cương
LOGO
ThS Nguyễn Văn Phương

v Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.
v Vận dụng để áp dụng trong kỹ thuật môi trường

1

NỘI DUNG CHƯƠNG 3

3.1
!NG H∃C
3.2 CH%T XÚC TÁC
3.3 PH∋N (NG XÚC TÁC C∗A ,NG TH.
3.4 PH∋N (NG XÚC TÁC D0 TH.
3.5 CÁC XÚC TÁC TH)2NG DÙNG TRONG
K4 THU7T MÔI TR)2NG

2

3.1.

NG H C

V n t#c ph%n &ng (∋)c (o b+ng (. bi/n thiên
c1a n3ng (. trên 1 (∗n v4 th6i gian.
A + B = AB
Ví d7:
v T#c (. ph%n &ng t8i m9i th6i (i;m t nào (ó s< là:
V = k [A].[B]
v Trong (ó:
k: h= s# t> l= ho≅c h+ng s# t#c (. ph%n &ng
[A], [B]: n3ng (. phân tΑ chΒt A và B

1


H%ng s K
Tr∋6ng h)p tΧng quát:
mA + nB = AmBn
v

V n t#c ph%n &ng s< là: V = k [A]m.[B]n

v

m, n: h= s# t> l∋)ng c1a các chΒt tham gia

H+ng s# t#c (. k có ý ngh∆a v t lý xác

(4nh. Nó b+ng v n t#c c1a ph%n &ng hóa
hΕc khi n3ng (. c1a m9i chΒt tham gia ph%n
&ng b+ng (∗n v4, có ngh∆a b+ng 1 mol/l ho≅c
khi tích c1a nhΦng (∗n v4 (ó b+ng n3ng (..

ph%n &ng.

3.1.1.1. nh h

ng c a n ng

Nh∋ v y t#c (. c1a ph%n &ng hóa hΕc Γ
nhi=t (. không (Χi thì t> l= thu n vΗi tích s#
n3ng (. c1a các chΒt tham gia ph%n &ng,
n3ng (. m9i chΒt (∋)c lΙy thϑa b+ng các h=
s# t> l∋)ng c1a các chΒt trong ph∋∗ng trình
ph%n &ng.

3.1.1.2. nh h

ng c a nhi t

v Khi tΚng nhi=t (., v n t#c c1a ph%n &ng
tΚng.
v B+ng thΛc nghi=m ng∋6i ta (ã ch&ng minh
(∋)c r+ng: “khi nhi=t (. tΚng lên 100C thì
v n t#c tΚng lên kho%ng 2 (/n b#n lΜn”.
Νó là quy tΟc c1a Vant-Hoff.

2

3.1.1.3. nh h

3.1.2. Định luật tác dụng khối lượng,
tích số tan – định luật phân bố

ng c a ch t xúc tác

ChΒt xúc tác là chΒt khi có m≅t trong môi
tr∋6ng ph%n &ng:
§ Làm thay (Χi v n t#c ph%n &ng (tΚng
ho≅c gi%m) ho≅c có tác d7ng làm kích
thích ph%n &ng.
§ Sau khi ph%n &ng k/t thúc, chΒt xúc tác
vΠn không thay (Χi vΘ l∋)ng ho≅c vΘ
m≅t lý, hóa hΕc.

3.1.2.1. Định luật tác dụng khối lượng

v

A+B C+D
V1 = k1 [A].[B]
V2 = k2 [C].[D]
Ở trạng thái cân bằng: V1 = V2
Do đó: k1 [A].[B] = k2 [C].[D]

k1 [C ] .[ D ]
=

= k , k là hằng số cân bằng
k 2 [ A] .[ B ]
10

3.1.2.1. Định luật tác dụng khối lượng
v D8ng tΧng quát có th; bi;u diΡn:
aA + bB cC + dD

[C] .[ D]
⇒k =
a
b
[ A] [ B]
c

d

“Đối với một phản ứng thuận nghịch ở trạng
thái cân bằng hoá học tỷ số giữa tích nồng độ
các sản phẩm thu được và nồng độ các chất
tham gia phản ứng với nhiệt độ cho trước là một
hằng số và nồng độ của mỗi chất được lũy thừa
hằng số tỷ lệ tương ứng”.

(ó là n.i dung c1a (4nh lu t tác d7ng kh#i
l∋)ng.

3

3.1.2.2. Tích số tan
Tích số tan là đại lượng đặc trưng cho tính
tan của chất điện li khó tan.
Xét dung dịch bão hòa của muối ít tan AgCl:
AgCl Ag+ + Cl Ag +  Cl − 
k=
[ AgCl ]
Trong đó: [AgCl] nồng độ AgCl đã hòa tan
[Ag+].[Cl-] = k.[AgCl] = Tt
Tích nồng độ ion trong dung dịch bão hòa của chất
điện li ở một nhiệt độ thích hợp là một hằng số. Hằng số đó
được gọi là “tích số tan của chất đó”.

3.1.2.3.

nh lu t phân b

v “T> s# giΦa n3ng (. c1a m.t chΒt trong
hai chΒt lΣng không hòa tr.n lΠn nhau Γ m.t
nhi=t (. xác (4nh là m.t h+ng s# không ph7
thu.c vào s# l∋)ng tuy=t (#i ho≅c t∋∗ng (#i
c1a chΒt (ó Γ trong các dung môi”.
v Trong kΤ thu t xΑ lý n∋Ηc th%i quá trình
tách chΒt tan nh6 m.t dung môi khác gΕi là
quá trình trích ly.

13

3.2. CH T XÚC TÁC
3.2.1. Khái ni m

SΛ xúc tác: hi=n t∋)ng bi/n (Χi t#c (.
ph%n &ng hóa hΕc hay kích (.ng chúng do
nhΦng chΒt mà cu#i cùng vΠn (∋)c ph7c
h3i. ChΒt (∋)c thêm vào gΕi là chΒt xúc tác.

16

4


3.2.2. Phân lo i quá trình xúc tác
v NhΦng chΒt xúc tác làm tΚng t#c (.
ph%n &ng (∋)c gΕi là ch8t xúc tác d:;ng.

q Quá trình xúc tác ng th : Là quá trình
diΡn ra mà tΒt c% chΒt ph%n &ng và xúc tác
Γ cùng pha vΗi nhau.

Ng∋)c l8i, gΕi là ch8t hay chΒt xúc tác âm.

q

Quá trình xúc tác d th :
ChΒt xúc tác và chΒt ph%n &ng Γ khác
pha nhau và ph%n &ng xúc tác diΡn ra trên
bΘ m≅t phân chia pha.

v Có tr∋6ng h)p chΒt xúc tác (∋)c hình
thành trong th6i gian ph%n &ng. Νó là ph?n

3.2.3.

Hình 3.1. Υnh h∋Γng c1a chΒt xúc tác

c tính chung v tác d ng c a xúc
tác

3.2.3.1. S t ng tác c a ch t xúc tác v i ch t ph n Χ ng
làm gi m n ng l ng ho t ng c a ph n Χ ng.

v

Ph%n &ng xúc tác (3ng th;:
TΜn s# va ch8m c1a phân tΑ.
Entropy ho8t hóa.
SΛ (4nh h∋Ηng c1a va ch8m.
v Ph%n &ng xúc tác d4 th;:
Entropy ho8t hóa.
S# l∋)ng các trung tâm ho8t (.ng dΠn
(/n ph%n &ng.

5


TH UYẾT VA CH ẠM H OẠT ĐỘN G
Tiểu phân hoạt động – là tiểu phân có E ≥ E + E*
Chỉ có va chạm
giữa các tiểu phân

hoạt động mới tạo
phản ứng.

TH UYẾT VA CH ẠM H OẠT ĐỘN G
Sự định hướng không gian giữa các tiểu phân va chạm
cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

I- + CH3 –Br → I……. CH3…….Br →I_ CH3 +Br-

E

Chất phản ứng

Phức chất hoạt động

Định hướng không thuận lợi

E*

Sản phẩm

Định hướng thuận lợi

E* ↓→ số tiểu phân
hoạt động ↑→ v↑.
EOS
EOS
21

22

3.2.3.2. Tính chất chọn lọc của chất xúc tác

3.2.3.2. Tính ch t ch n l c c a ch t xúc tác

Theo Oswald, chất xúc tác lý tưởng là
những chất mà thực tế chỉ tăng tốc độ cho một
phản ứng đặc biệt khi bên cạnh có nhiều phản
ứng song song. Những phản ứng đó phải là
thuận nghịch tại quá trình xảy ra đó, bởi vậy
các chất xúc tác lý tưởng phải hoàn toàn giải
phóng sau khi phản ứng kết thúc.

v Tính chΒt chΕn lΕc (∋)c (≅c tr∋ng bΓi:
- SΛ lΛa chΕn c1a chΒt ph%n &ng xác
(4nh.
- Tác d7ng có (4nh h∋Ηng bΓi nhΦng
nhóm xác (4nh (tính chΒt chΕn lΕc nhóm
hay chΕn lΕc tác d7ng) c1a chΒt xúc tác.
- Ví d7: xem giáo trình.

23

6


Quá trình ph n ∆:Εc phân thành 5 giai ∆oΦn:

3.2.3.3. S khu ch tán

Trong xúc tác d4 th;: x%y ra qua 5 giai
(o8n: Chuy;n (/n bΘ m≅t xúc tác, hΒp ph7,
ph%n &ng, chuy;n ra khΣi bΘ m≅t, gi%i
phóng s%n phΩm
Khu/ch tán ngoài chuy;n chΒt (/n bΘ
m≅t xúc tác, khu/ch tán trong chuy;n chΒt
(/n bΘ m≅t trong thΛc hi=n nh6 sΛ khu/ch
tán dΕc theo mao qu%n. Ph%n &ng diΡn ra
ti/p theo sau sΛ khu/ch tán.

I.
II.

III.
IV.
V.

Chuy;n chΒt (/n bΘ m≅t phân chia pha.
HΒp ph7 ít nhΒt 1 trong nhΦng chΒt ph%n
&ng.
Ph%n &ng hoá hΕc trên bΘ m≅t.
Gi%i hΒp ph7 các s%n phΩm ph%n &ng.
Chuy;n s%n phΩm ra khΣi bΘ m≅t.

Khu ch tán ngoài
Ph?n SΛ chuy;n hoá v t chΒt d∋Ηi %nh h∋Γng
c1a chΒt xúc tác là ph%n &ng b c nhΒt.
Whh = k.S.Cbm
v Khu=ch tán

SΛ khu/ch tán (∋)c mô t% b+ng p. trình
dD
d
Frick:
= −S * D * c

v

dt

Wkt =

dx

d n DS
=
(C tt − C bm ) = β(C tt − C bm )
dt
δ

v Nếu k >> β thì K = β có nghiã
là tốc độ phản ứng xác định bằng
sự khuếch tán (khuếch tán khống
chế). Đó là quá trình dẫn vào miền
khuếch tán ngoài.
v Nếu phản ứng diễn ra chậm, k
<< β thì K = k tức là tốc độ phản
ứng xác định sự chuyển hoá hoá
học và người ta nói quá trình diễn
ra trong miền động học ngoài.

k=

k ×β
k+β

β=

D×S
δ

7


Khu ch tán trong
v

Quá trình diΡn ra trong miΘn (.ng hΕc

3.2.3.4. S h p ph ho t hoá

Γc tài liΙu

trong.
v

Khu/ch tán trong kh#ng ch/ quá trình.

3.2.3.5. Quan h gi a s xúc tác
và cân b ng nhi t ng h c

Xúc
tác
không tΛ gây
nên ph%n &ng,
không làm d ch
chuy n
cân
b ng mà chΞ có
tác d7ng rút
ngΟn th6i gian
(8t cân b+ng.

3.2.3.6. nh h

ng c a i u ki n bên ngoài
lên s xúc tác

v Nhi=t (.
v Áp suΒt
v T#c (. th; tích, th6i gian l∋u giΦ chΒt
ph%n &ng trên bΘ m≅t xúc tác.
v Dung môi.

8


3.3. PH N NG XÚC TÁC C A

v
Xúc tác (3ng th; là chΒt xúc tác cùng pha vΗi các chΒt

tham gia ph%n &ng
v
Ph%n &ng xúc tác (3ng th; chΞ x%y ra trong pha khí và
pha lΣng; không có xúc tác (3ng th; trong pha rΟn.
Phân ra thành các loΦi:
v
Ph%n &ng xúc tác axit – baz∗ (các axit và baz∗ có tác
d7ng xúc tác).
v
Ph%n &ng xúc tác oxy hoá – khΑ (xúc tác là h)p chΒt
c1a kim lo8i có hoá tr4 thay (Χi).
v
Ph%n &ng xúc tác ph&c (xúc tác là ph&c chΒt c1a kim
lo8i chuy;n ti/p).
v
Ph%n &ng xúc tác (3ng th; trong pha khí: xúc tác bΓi
các khí ho8t (.ng NO2, Br2,… men.

Catalysis

Ví d7 xúc tác (3ng th;

NG TH

2H2O2(dd) → 2H2O(l) + O2(k) rΒt ch m
Khi có m≅t ion Br- thì p∋ diΡn ra rΒt nhanh:
2Br-(dd) + H2O2(dd) + 2H+(dd) → Br2(l) + 2H2O(l).
Br2(l) màu nâu.
Br2(l) + H2O2(aq) → 2Br-(aq) + 2H+(aq) + O2(k).
Br- là xúc tác vì nó (∋)c hoàn tr% l8i Γ giai (o8n cu#i

c1a ph%n &ng

v
v

3.4. PH N NG XÚC TÁC D TH
Ph%n &ng xúc tác d4 th; là ph%n &ng mà trong (ó chΒt
xúc tác và chΒt ph%n &ng là hai pha khác nhau, và ph%n &ng
x%y ra trên bΘ m≅t phân chia giΦa 2 pha.
Có th; chia thành các ph%n &ng xúc tác d4 th; sau:

35

9


Cơ chế xúc tác dị thể
Hi=n nay trong kΤ thu t cΙng nh∋ trong phòng thí
nghi=m ta th∋6ng g≅p chΒt ph%n &ng là khí và chΒt
xúc tác là rΟn.
Ví d7: ph%n &ng tΧng h)p Vinyl clorua (VCM)

Nhiều pư được xúc tác
trên những bề mặt của
chất rắn thích hợp .

EOS

Xúc tác dị thể

ng th sang d th :
T i sao chuy n t
có 3 lý do chính

• Quá trình (3ng th; ti/n hành không liên
t7c nên nΚng suΒt thi/t b4 kém.Quá trình d4
th; ti/n hành ph%n &ng liên t7c, nΚng suΒt
thi/t b4 cao h∗n hΖn, dΡ dàng tΛ (.ng hóa.
• Quá trình d4 th; thu h3i xúc tác dΡ h∗n
nhiΘu so vΗi quá trình (3ng th;
• NΚng l∋)ng ho8t hóa cho quá trình d4 th;
bé h∗n nΚng l∋)ng ho8t hóa cho quá trình
(3ng th;, do (ó v n t#c ph%n &ng d4 th;
nhanh h∗n.

10


B ng so sánh n ng l ng ho t hóa c a ph n ng d th
(E d th ) v i n ng l ng ho t hóa c ng c a ph n ng ó ti n
hành trong môi tr ng ng th (E ng th ):

c tài li u
3.4.1. Trung tâm ho8t (.ng c1a xúc tác d4
th;
3.4.2. Thuy/t các trung tâm ho8t (.ng c1a
Taylor
3.4.3. Thuy/t (a v4 c1a Balan(in
3.4.4. Thuy/t (i=n tΑ do Roginski s.z,
Volkenstein F.F và nnk phát hi=n

2.4.4. Thuyết trung tâm hoạt động của Taylor

2.4.5. Thuyết đa vị của Balandin

11


2.4.6. Thuy t i n t
{ Tác d7ng xúc tác có liên quan (/n công
thoát (i=n tΑ khΣi bΘ m≅t ti/p xúc cΙng nh∋
vΗi sΛ t3n t8i cΒu trúc lΗp d c1a các nguyên
tΑ ch∋a hoàn chΞnh.
{ Có th; gi% (4nh r+ng c∗ ch/ t∋∗ng tác c∗
b%n c1a nhiΘu quá trình xúc tác d4 th; trên
trung tâm ho8t (.ng c1a bΘ m≅t ti/p xúc liên
h= vΗi sΛ trao (Χi (i=n tΑ giΦa các chΒt ph%n
&ng và xúc tác.

3.5.1. Phân lo i xúc tác
v Các axít m8nh.
v Xúc tác baz∗.

3.5. CÁC XÚC TÁC TH
NG DÙNG
TRONG K THU T MÔI TR
NG
3.5.1. Phân lo8i xúc tác
3.5.2. Xúc tác Zeolit
3.5.3. Xúc tác rΟn

3.5.4. Υnh h∋Γng c1a (iΘu ki=n bên ngoài
lên sΛ xúc tác

3.5.2. Xúc tác Zeolit
v Xúc tác zeolit là m.t lo8i xúc tác
aluminosilicat (∋)c dùng nhiΘu trong các
ph%n &ng hΦu c∗ và vô c∗.

v Xúc tác t8o ph&c.

v Zeolit bΘn nhi=t, bΘn vΗi chΒt (.c, bΘ
m≅t riêng lΗn (∼ 800m2/g) bΘn c∗ và có kh%
nΚng trao (Χi ion cao.

12


3.5.3. Xúc tác r n
Xúc tác rΟn g3m c% chΒt mang. ChΒt
mang không có tác d7ng xúc tác, nó làm
nΘn (; phân b# các phΜn tΑ ho8t (.ng xúc
tác và các thành phΜn khác lên. ChΒt mang
có tác d7ng t8o cΒu trúc x#p, có vai trò làm
bΘn pha ho8t (.ng xúc tác và nhiΘu tác
d7ng khác.

13