Lý thuyết tác dụng xúc tác

Chương 1

Lý thuyết
tác dụng
xúc tác

1


1.

Phát sinh và phát triển vấn đề xúc tác
Trong tự nhiên luôn tồn tại các chất xúc tác (men, đất sét…) và
các phản ứng xúc tác

90% các ngành sản
xuất công nghiệp
hóa chất có sử dụng
xúc tác
2


Ví dụ xúc tác

3


Phân loại xúc tác

4

Phân loại xúc tác
Dispersed Pt/Al2O3, Ni/Al2O3, Pd/Al2O3

Metals

Porous: Raney Nickel
Bulk: Pt, Pd, Ag …
Single: Al2O3, Cr2O3, V2O5

Oxides

Dual, complex: Al2O3- TiO2, LaCoO3, …
Dispersed: NiO/Al2O3,MoO3/Al2O3

Catalytic materials
Acids

SiO2.Al2O3: zeolites, natural clays

Bases

CaO, MgO, K2O

Sulfides

MoS2/Al2O3, WS2/Al2O3

5

Ví dụ xúc tác

6


Một số phản ứng xúc tác

Phản ứng ester-hóa xảy ra nhanh hơn nếu H2SO4
được thêm vào môi trường phản ứng:

(acid acetic)

(rượu etylic)

7


Một số phản ứng xúc tác

Phản ứng cộng hidro (H2) vào alken, alkin xảy ra
nhanh hơn nếu có sự hiện diện của Ni (Pt)

8


Một số phản ứng xúc tác

NH3

9


Một số phản ứng xúc tác

Rượu etilic (ethanol)

10


Một số phản ứng xúc tác

Chất xúc tác âm: chất làm chậm vận tốc phản ứng. Thực ra đây
là các chất ức chế phản ứng, có tác dụng khác cơ chế chất xúc
tác.
Urotropin: uramin, hexametilen tetramin, C6H12O4
làm chậm quá trình phản ứng, giữa acid HCl với
sắt (Fe)

11


Chất ức chế

Tetraetyl chì được thêm vào
xăng để hạn chế vận tốc phản
ứng cháy của hơi xăng, nâng
cao chỉ số octan, giảm hiện
tượng kích nổ của xăng.

Tetraethyl lead
Very effective, but now
banned in many
countries for health
reasons and because the
lead "poisons" catalytic
converters

12


Phản ứng tự xúc tác
tác chất hay sản phẩm của phản ứng đóng vai trò CXT

CXT: H+
Tác chất là acid                   đồng thời cũng đóng vai trò CXT

CH3COOC2H5 + H2O  CH3COOH + C2H5OH
CXT: H+
Sản phẩm acid CH3COOH đóng vai trò CXT
13




2. Đặc điểm chung của tác dụng xúc tác

14

Định nghĩa xúc tác

Sự xúc tác:
Hiện tượng biến đổi tốc độ
phản ứng hóa học hay kích
động chúng do những chất mà
cuối cùng vẫn được phục hồi

Chất xúc tác:
Chất gây nên sự xúc tác

15


Định nghĩa xúc tác

16


Ví dụ xúc tác

Xúc tác dị thể cho phản ứng hydro hóa ethylene: C2H4 + H2 → C2H6

Chất xúc tác có thể làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách giữ các tác
chất lại với nhau và giúp bẽ gãy liên kết
1717


Định nghĩa xúc tác

Quan điểm hiện đại:
CXT có thể biến đổi hoặc không
biến đổi trong quá trình, nhưng
không biến đổi theo tỉ lệ hợp
thức về lượng với các chất
phản ứng

18


Hoạt độ của xúc tác

Sự biến đổi lượng chất đầu tham gia phản ứng
trong một đơn vị thời gian và trên một đơn vị của
lượng chất xúc tác
 Chất xúc tác rắn: hoạt độ tăng
khi hoạt tính của một đơn vị bề
mặt tăng


Hoạt độ có thể thay đổi
trong quá trình phản ứng –
độ ổn định, độ bền, tính
chất hóa học, cấu trúc
hình học của xúc tác.
19


Đặc trưng chung của tác dụng xúc tác


Nhiệt động học



Năng lượng hoạt hóa



Tính chọn lọc

20


Đặc trưng chung của tác dụng xúc tác

Nhiệt động học

A =B

Xúc tác chỉ có tác dụng trong
phạm vi nhiệt động học cho
phép
khoâ
ng xuù
c tác
taù
c
Không
xúc

A + Xt = Axt
Axt = B + Xt  coùxuù
taù
ctác
Cócxúc

A = B
Phản ứng thuận nghịch: CXT
- không làm thay đổi mức độ cân bằng - làm cho phản ứng mau đạt tới trạng thái cân bằng

∆G = -RTlnKcb =
const
Kcb = k/k’
(k, k’: hằng số tốc độ phản
ứng thuận và nghịch
tương ứng)

-làm tăng vận tốc phản ứng - tăng vận tốc phản ứng thuận bao nhiêu lần thì cũng làm tăng vận tốc phản ứng nghịch lên bấy nhiêu lần

21


Đặc trưng chung của tác dụng xúc tác

Năng lượng hoạt hóa

Tốc độ phản ứng tăng là do chất xác tác hướng phản ứng tiến hành theo con đường mới có năng lượng hoạt hóa
nhỏ hơn

W = k . f (C )

k = k0 .e − E / RT



Phản ứng xúc tác đồng thể: k0 đặc trưng cho






tần số va chạm của phân tử
entropy họat hóa
sự định hướng của va chạm

Phản ứng xúc tác dị thể: k0 đặc trưng cho



entropy hoạt hóa
số lượng các trung tâm họat động dẫn đến phản ứng
22


Đặc trưng chung của tác dụng xúc tác

Năng lượng hoạt hóa

Ảnh hưởng của nhiệt độ
đến tốc độ phản ứng

2323


Đặc trưng chung của tác dụng xúc tác

Năng lượng hoạt hóa
A+B  D
A + B  AB≠
AB≠  D

A + [K]
A[K]≠
A[K]≠ + B  AB[K]≠
AB[K]≠  D + [K]
24


Đặc trưng chung của tác dụng xúc tác

Năng lượng hoạt hóa

W = k . f (C )

k xt = k0, xt .e
k = k0 .e − E

/ R T

k0, xt

− E xt / RT

− E xt / RT

k0, xt ∆E / RT
k xt
e
=
× − E / RT =
×e
k
k0
e
k0
∆E = E – Ext
25