Chất xúc tác

Quá trình xúc tác là phương pháp thay đổi tốc độ của phản ứng hóa học của một hoặc nhiều chất phản ứng nhờ vào sự bổ sung của một chất gọi là chất xúc tác. Khác với các chất phản ứng khác, chất xúc tác không bị tiêu hao trong phản ứng. Với chất xúc tác, năng lượng cần thiết để đạt trạng thái trung gian giảm xuống, nhưng tổng năng lượng từ chất phản ứng đến chất sản phẩm không thay đổi. Điều này giúp tăng tốc độ phản ứng hóa học nhiều lần, giúp rút ngắn thời gian và nâng cao hiệu quả sản xuất. Chất xúc tác sinh học, hay còn gọi là Enzym, là protein giúp gia tăng tốc độ phản ứng hóa học.

Chất xúc tác vật lý là những chất thay đổi tính chất vật lý của chất được tác động. Ví dụ điển hình bao gồm các chất bôi trơn hoặc chất đông tụ.

Đặc điểm

Chất xúc tác giúp giảm năng lượng cần thiết để kích hoạt phản ứng.

Chất xúc tác không chỉ thúc đẩy phản ứng thuận mà còn cả phản ứng nghịch, giúp phản ứng nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng mà không làm thay đổi vị trí của cân bằng hay ΔH.

Trong ngành công nghiệp

Trong các nhà máy sản xuất phân đạm, sắt thường được dùng làm chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng giữa nitơ và hydro. Quá trình này giúp nitơ và hydro dễ dàng tạo thành amonia. Nếu không có chất xúc tác, phản ứng tổng hợp amonia sẽ diễn ra rất chậm và không thể sản xuất với quy mô lớn trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất.

Chất xúc tác có thể chọn lựa các bước phản ứng phù hợp theo thiết kế của quá trình, giúp phản ứng diễn ra theo con đường hiệu quả nhất để tối ưu hóa sản xuất.

Khi sử dụng rượu etylic, tùy vào loại chất xúc tác và điều kiện phản ứng, ta có thể thu được các sản phẩm khác nhau. Ví dụ, nếu dùng bạc làm chất xúc tác và đun nóng đến 550 °C, rượu etylic sẽ chuyển thành axetalđehyd; nếu sử dụng nhôm oxit và nhiệt độ 350 °C, sản phẩm thu được là etylen; nếu dùng hỗn hợp kẽm oxit và crom (III) oxit ở 450 °C, sẽ tạo ra butylen; còn nếu dùng axit sunfuric đặc và duy trì nhiệt độ từ 130 đến 140 °C, ta sẽ có ete etylic.

Hiện nay, các nhà khoa học đã phát triển chất xúc tác để chế tạo thiết bị lắp vào ống xả của ô tô. Khi khí thải đi qua thiết bị này, các chất độc hại còn sót lại sẽ được oxy hóa thành carbon dioxide và nước, trong khi nitơ oxit sẽ được chuyển thành khí nitơ.

Phân loại chất xúc tác

Các chất xúc tác được phân loại dựa trên trạng thái của các thành phần trong phản ứng, bao gồm xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể. Một loại xúc tác đặc biệt là xúc tác men, có thể thuộc loại đồng thể hoặc dị thể. Xúc tác đồng thể phổ biến là xúc tác axit - base. Ngoài ra, còn có xúc tác nucleofil, xúc tác electrofil, và xúc tác sử dụng phức kim loại chuyển tiếp hoặc ion của nó...

Xúc tác đồng thể

Xúc tác đồng thể là loại xúc tác có cùng pha với các chất phản ứng trong quá trình phản ứng.
Một số ví dụ về xúc tác đồng thể:
$2S{O}_2+O_2⟶<!--\; ⟶\; -->2S{O}_3$ (pha khí)

$2S_2{O}_3^{2-<!--\; -\; -->}+H_{2}O+2H⟶<!--\; ⟶\; -->S_4{O}_6^{2-<!--\; -\; -->}+2H_{2}O$ (pha lỏng)

Shpitalsky đã nêu năm điểm chính về nguyên lý của xúc tác đồng thể:

1. Chất xúc tác tương tác với các chất phản ứng để tạo ra sản phẩm trung gian kém bền.
2. Sản phẩm trung gian hình thành qua phản ứng thuận nghịch và xảy ra nhanh chóng.
3. Sản phẩm trung gian phân hủy từ từ, không bị phản ứng ngược để tạo ra sản phẩm cuối cùng, đồng thời giải phóng chất xúc tác.
4. Tốc độ tổng thể của phản ứng tỷ lệ với nồng độ của sản phẩm trung gian, không phải với nồng độ của các chất phản ứng.
5. Nồng độ chất xúc tác ở trạng thái tự do đạt cân bằng với nồng độ của sản phẩm trung gian.

Hiệu quả của chất xúc tác phụ thuộc vào nồng độ của chính chất xúc tác đó.

Trong dung dịch, các phản ứng hữu cơ thường được xúc tác bằng axit hoặc bazơ, đặc biệt là những phản ứng liên quan đến nước, rượu, amin. Các phản ứng điển hình với axit bao gồm thủy phân, ester hóa, amonia hóa; những phản ứng liên quan đến nhóm cacbonyl như andehyt, axit hữu cơ và các dẫn xuất của chúng.

Các phản ứng mà tốc độ được tăng cường bởi chính các chất phản ứng, có thể là chất đầu hoặc sản phẩm, được gọi là phản ứng tự xúc tác. Ví dụ điển hình bao gồm phản ứng thủy phân este, axit hữu cơ và rượu, cũng như các phản ứng tự xúc tác khác.

$C{H}_{3}COO{C}_2{H}_5+H_{2}O⟶<!--\; ⟶\; -->C{H}_{3}COOH+C_2{H}_{5}OH$

Đây là một ví dụ về phản ứng xúc tác axít.

Enzyme (men) là các chất xúc tác sinh hóa, chủ yếu là protein, với cấu trúc chuỗi polypeptit đặc trưng. Chúng hoạt động bằng cách thúc đẩy các phản ứng hóa học qua quá trình lên men, trong đó vi sinh vật như nấm, vi khuẩn hay men rượu tạo ra enzyme với khả năng xúc tác đặc biệt. Những enzyme này duy trì tính hoạt động và hiệu quả ngay cả khi được tách khỏi vi sinh vật.

Xúc tác dị thể

Xúc tác dị thể là loại xúc tác mà chất xúc tác và chất phản ứng ở các pha khác nhau. Thông thường, chất xúc tác dị thể là chất rắn, và các phản ứng xảy ra trên bề mặt của chất xúc tác. Một ví dụ phổ biến là các hệ xúc tác dị thể giữa pha rắn và pha khí, nơi các chất tham gia phản ứng và sản phẩm phản ứng đều thuộc pha khí.

Phản ứng xúc tác dị thể thường diễn ra qua nhiều giai đoạn, và có hai đặc điểm chính:

• Quá trình xảy ra ở lớp đơn phân tử trên bề mặt chất xúc tác, nơi khuếch tán và hấp phụ đóng vai trò quan trọng.
• Chất xúc tác không chỉ là những phân tử hay ion đơn lẻ mà là tổ hợp của nhiều nguyên tử hoặc ion.

Những thuyết về chất xúc tác

1. Thuyết hợp chất trung gian: Được Clement và Desormes, Sabatier đề xuất, thuyết này cho rằng phản ứng xảy ra qua sự hình thành hợp chất trung gian, từ đó giúp chúng ta chọn lựa chất xúc tác phù hợp để tương tác với chất phản ứng.
2. Thuyết hợp chất bề mặt: Được Boreskow và Temkin phát triển, thuyết này coi quá trình xúc tác như là chuỗi các giai đoạn tạo ra và phá hủy hợp chất trên bề mặt xúc tác. Mặc dù thuyết này cung cấp cái nhìn hữu ích, nhưng vẫn còn những vấn đề chưa được giải quyết.
3. Thuyết trung tâm hoạt động: Taylor đề xuất rằng các phản ứng xúc tác chỉ xảy ra tại những điểm đặc biệt trên bề mặt chất rắn, gọi là trung tâm hoạt động. Thuyết này có giá trị lý thuyết nhưng chưa được xác nhận hoàn toàn.
4. Thuyết đa vị: Được Balandin đề xuất năm 1929, thuyết này cho rằng các trung tâm hoạt động trên bề mặt chất xúc tác phù hợp với cấu trúc phân tử của chất phản ứng. Thuyết này mô tả sự hình thành các phức đa vị và sự phân bố lại các liên kết dẫn đến sản phẩm phản ứng.
5. Thuyết tập hợp hoạt động: Được Kobosew phát triển năm 1939, thuyết này cho rằng chất xúc tác là các chất vô định hình với nguyên tử hoạt tính phân bố trên bề mặt. Thuyết này vẫn chưa được công nhận rộng rãi.
6. Thuyết điện tử: Do Pissarshewski đề xuất năm 1916, thuyết này dựa trên việc hấp phụ các phân tử chất phản ứng phụ thuộc vào phân bố năng lượng trong chất xúc tác. Thuyết này được chú ý trở lại vào cuối những năm 1940, đặc biệt ở Liên Xô trước đây.

Khảo sát các lý thuyết về xúc tác cho thấy rằng lý thuyết xúc tác dị thể vẫn chưa đạt được sự đồng thuận về quan điểm, ngay cả đối với những vấn đề cơ bản nhất. Các thuyết hiện có chủ yếu mang tính định hướng và chỉ áp dụng cho một số loại phản ứng cụ thể.

Tài liệu tham khảo

• Nguyễn Đình Huề; Trần Kim Thanh, Động hóa học và xúc tác, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội, 1991
• Trần Sơn, Động hóa học, Đại học Cần Thơ, 1982