Xúc tác

Quá trình xúc tác là quá trình làm thay đổi tốc độ của một phản ứng hóa học của một hay nhiều chất phản ứng, nhờ vào sự tham gia của một chất thêm vào gọi là chất xúc tác. Không giống các chất phản ứng khác trong phản ứng hóa học, một chất xúc tác không bị mất đi trong quá trình phản ứng. Với một chất xúc tác, cần ít năng lượng giải phóng hơn để đạt được trạng thái trung gian, nhưng tổng năng lượng giải phóng từ chất phản ứng sang chất tạo thành không đổi, có thể tăng tốc độ phản ứng hoá học lên nhiều lần, hàng chục lần, hàng trăm lần, nên rút ngắn được thời gian, tăng cao hiệu suất sản xuất.
Chất xúc tác sinh học (hay còn gọi là Enzym) là protein đẩy nhanh tốc độ phản ứng hóa học.
Chất xúc tác vật lý là chất có tác dụng thay đổi tính chất vật lý của chất bị tác dụng. Điển hình là các chất bôi trơn hoặc chất gây đông tụ.
Đặc điểm.
Chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng.
Chất xúc tác làm xúc tác cho phản ứng thuận thì cũng làm xúc tác cho phản ứng nghịch nên chất xúc tác làm cho phản ứng nhanh đạt tới trạng thái cân bằng, không làm chuyển dịch cân băng, không thay đổi ΔH.
Trong sản xuất công nghiệp.
Trong các nhà máy sản xuất phân đạm người ta thường dùng sắt làm chất xúc tác để tăng vận tốc phản ứng giữa nitơ và Hydro qua tác dụng xúc tác bề mặt, nhờ đó nitơ và Hydro trong hỗn hợp dễ tạo thành amonia.Nếu không có chất xúc tác thì trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, phản ứng tổng hợp amonia sẽ xảy ra với tốc độ rất chậm, không thể tiến hành sản xuất với lượng lớn.
Chất xúc tác có thể giúp chọn các bước phản ứng phù hợp với con đường mà người ta đã thiết kế, phản ứng sẽ xảy ra theo con đường thuận lợi nhất cho quá trình sản xuất.
Ví dụ khi dùng rượu etylic làm nguyên liệu thì tuỳ thuộc việc chọn chất xúc tác và điều kiện phản ứng mà ta có thể nhận được các sản phẩm phản ứng khác nhau. Nếu chọn bạc làm chất xúc tác và đưa nhiệt độ lên đến 550 °C, rượu etylic sẽ biến thành axetalđehyd; nếu dùng nhôm oxit làm xúc tác và ở nhiệt độ 350 °C ta sẽ nhận được etylen; nếu dùng hỗn họp kẽm oxit và crom (III) oxit làm chất xúc tác và ở nhiệt độ 450 °C ta sẽ thu được butylen; nếu dùng axit sunfuric đặc làm xúc tác và giữ nhiệt độ 130 - 140 °C ta sẽ có ete etylic.
Ngày nay các nhà khoa học đã tìm được chất xúc tác chế tạo thành thiết bị xúc tác nối vào ống xả khí thải của ô tô. Khi khí xả ô tô qua thiết bị xúc tác sẽ được xử lý, các chất cháy còn dư thừa sẽ bị oxi hoá biến thành carbon dioxide và nước;nitơ oxit biến thành khí nitơ.
Phân loại xúc tác.
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...
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:
formula_1 (pha khí)
formula_2 (pha lỏng)
Thuyết xúc tác đồng thể.
Shpitalsky trình bày năm điểm về thuyết xúc tác đồng thể:
Tác dụng của xúc tác tỷ lệ với nồng độ của chất xúc tác..
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. Đó 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.
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:
formula_3
Đây là phản ứng xúc tác axít.
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. Đó 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.
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).
Đặc điểm của phản ứng xúc tác dị thể là phản ứng diễn ra nhiều giai đoạn, có hai đặc trưng:
Một số thuyết về chất xúc tác.
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.