Khái niệm chất xúc tác và các ví dụ về ứng dụng của nó trong đời sống

Xuất hiện từ những thí nghiệm ngẫu nhiên, chất xúc tác đã chứng minh tầm quan trọng của mình trong hóa học. Nó không chỉ tiết kiệm thời gian và chi phí mà còn giảm tốc độ của các phản ứng không mong muốn. Do đó, nghiên cứu về chất xúc tác ngày càng trở nên cần thiết, không chỉ trong hóa học mà còn trong công nghệ hóa học và cuộc sống hàng ngày.

1. Khái niệm về chất xúc tác là gì?

Chất xúc tác bao gồm một hay nhiều chất tham gia vào quá trình phản ứng hóa học, thay đổi tốc độ phản ứng. Khác với các chất khác, chất xúc tác không bị tiêu hao trong quá trình phản ứng.

Ví dụ: H₂O₂ phân hủy chậm khi ở nhiệt độ phòng trong dung dịch

2H₂O₂ => 2H₂O + O₂

Khi thêm một chút bột MnO₂ vào dung dịch, bọt oxy sẽ thoát ra nhanh hơn.

Chất xúc tác là những chất không thay đổi trong phản ứng hóa học, giúp phản ứng diễn ra nhanh hơn mà không làm thay đổi tổng năng lượng. Chúng cần ít năng lượng giải phóng hơn để đạt trạng thái trung gian, và có thể làm tăng tốc độ phản ứng hàng chục hoặc hàng trăm lần, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả.

Chất xúc tác bao gồm chất xúc tác sinh học và chất xúc tác vật lý.

Chất xúc tác sinh học, hay còn gọi là enzyme, là loại protein giúp tăng tốc độ các phản ứng hóa học.

Chất xúc tác vật lý điển hình bao gồm các chất như chất bôi trơn hay chất gây đông tụ, những chất này thay đổi tính chất vật lý của chất bị tác động.

2. Đặc điểm chính của chất xúc tác

Đầu tiên, chất xúc tác có khả năng giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho phản ứng (năng lượng hoạt hóa là năng lượng tối thiểu để các phân tử có thể phản ứng).

Chất xúc tác có thể làm giảm năng lượng kích hoạt bằng cách tạo ra trạng thái chuyển tiếp thuận lợi hơn. Chúng tạo điều kiện cho phản ứng bằng cách liên kết với các chất nền ở vị trí hoạt động, làm cho các liên kết này ổn định hơn và dễ dàng hình thành trạng thái chuyển tiếp với năng lượng cao hơn. Nhờ vậy, phản ứng hóa học diễn ra dễ dàng hơn và nhanh chóng hơn.

Năng lượng liên kết là năng lượng giải phóng khi có sự tương tác thuận lợi giữa chất nền và chất xúc tác. Năng lượng này giúp đạt được trạng thái chuyển tiếp không ổn định. Nếu không có chất xúc tác, các phản ứng cần nhiều năng lượng hơn để đạt trạng thái chuyển tiếp. Các phản ứng không có xúc tác thiếu năng lượng tự do từ các tương tác ổn định tại vị trí hoạt động, như trong trường hợp phản ứng enzyme.

Thứ hai, chất xúc tác có tính chọn lọc cao, thường chỉ tác động vào một phản ứng cụ thể hoặc một nhóm phản ứng nhất định.

Thứ ba, chất xúc tác không làm thay đổi trạng thái cân bằng của phản ứng mà chỉ giúp phản ứng đạt đến cân bằng nhanh hơn.

Thứ tư, trong các phản ứng xúc tác đồng thể, hiệu quả của chất xúc tác tỷ lệ thuận với lượng chất xúc tác sử dụng.

Cuối cùng, chất xúc tác có thể làm giảm hoạt tính hoặc hoàn toàn làm mất hoạt tính khi gặp phải các chất nhất định, được gọi là chất ức chế xúc tác; ngược lại, chất xúc tác cũng có thể tăng cường hoạt tính và độ bền khi gặp các chất khác, được gọi là chất kích thích xúc tác.

3. Phân loại chất xúc tác

Dựa vào trạng thái của chất xúc tác, có thể phân chia thành chất xúc tác lỏng và chất xúc tác rắn.

Chúng ta sẽ phân loại chất xúc tác dựa trên trạng thái pha của hệ phản ứng, chia thành ba loại: chất xúc tác đồng thể, chất xúc tác dị thể và chất xúc tác sinh học.

Về chất xúc tác đồng thể, phản ứng diễn ra khi chất xúc tác và chất phản ứng ở cùng một pha mà không có ranh giới phân cách. Chất xúc tác đồng thể có thể là axit lỏng, chất xúc tác bazơ, axit rắn, chất xúc tác bazơ, hợp chất kim loại hòa tan (muối và phức chất) và các chất tương tự. Chất xúc tác đồng thể hoạt động độc lập với các phân tử hoặc ion, có các tâm hoạt động đồng nhất, với hoạt tính và độ chọn lọc cao. Quá trình xúc tác đồng thể là phản ứng có xúc tác, trong đó chất xúc tác và chất phản ứng tạo thành một pha (khí và lỏng).

Ví dụ: phản ứng oxy hóa khí sulfur dioxit bằng oxy để tạo thành anhydrit sulfuric với xúc tác là oxit nito (NO):

Chất xúc tác dị thể, còn được gọi là chất xúc tác không đồng nhất, được sử dụng trong các phản ứng xảy ra ở các giai đoạn khác nhau, tức là trong các trạng thái khác với chất phản ứng mà chúng xúc tác. Một phản ứng xúc tác dị thể đơn giản liên quan đến sự hấp thụ của chất phản ứng trên bề mặt của chất xúc tác. Các liên kết trong chất phản ứng bị phá vỡ và các liên kết mới được hình thành, nhưng do liên kết giữa sản phẩm và chất xúc tác không mạnh, sản phẩm được giải phóng khỏi vị trí phản ứng và các quá trình khác. Nhiều cấu trúc khác nhau của sự hấp thụ và phản ứng trên bề mặt chất xúc tác đã được nghiên cứu. Quá trình phản ứng xúc tác dị thể là phản ứng của chất xúc tác và chất phản ứng thuộc các pha khác nhau. Ví dụ: phản ứng hơi etanol qua oxit nhôm (chất xúc tác dạng rắn)

Chất xúc tác sinh học, enzyme là chất xúc tác sinh học, được tạo ra bởi thực vật, động vật và vi sinh vật (hầu hết là protein, nhưng một lượng nhỏ RNA cũng có khả năng xúc tác sinh học). Enzyme có tính chất chọn lọc, như enzyme xúc tác quá trình thủy phân tinh bột thành dextrin và maltose, hoặc protease xúc tác quá trình thủy phân protein thành peptit... Các sinh vật sử dụng enzyme để tăng tốc các phản ứng hóa học trong cơ thể. Ví dụ: phản ứng thủy phân urê với chất xúc tác là enzyme urêazơ:

4. Chất xúc tác được ứng dụng trong đời sống

Thứ nhất, dụng cụ lọc khí sử dụng quá trình oxy hóa ở nhiệt độ thấp, trong đó chất xúc tác giúp chuyển đổi cacbonmonoxit thành cacbon dioxide ít độc hơn ở nhiệt độ phòng. Nó cũng có thể dùng để loại bỏ formaldehyde trong không khí.

Thứ hai, trong các nhà máy sản xuất phân đạm, sắt thường được dùng làm chất xúc tác để tăng tốc phản ứng giữa nitơ và hydro nhờ tác dụng trên bề mặt, giúp nitơ và hydro dễ dàng kết hợp thành amonia. Nếu không có chất xúc tác, phản ứng tổng hợp amonia sẽ diễn ra rất chậm, không thể sản xuất với số lượng lớn dưới cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất.

Thứ ba, chất xúc tác được sử dụng trong sản xuất bộ chuyển đổi khí thải cho ô tô. Hiện nay, các nhà khoa học đã chế tạo thiết bị xúc tác gắn vào ống xả của ô tô. Khi khí thải đi qua thiết bị này, các chất khí độc hại còn sót lại sẽ được oxy hóa thành carbon dioxide và nước, còn nito oxit sẽ được chuyển đổi thành khí nito.

Chất xúc tác cũng được ứng dụng trong sản xuất amoniac. Vanadi là một chất xúc tác quan trọng trong sản xuất axit sunfuric, và các chất xúc tác khác được dùng trong sản xuất các vật liệu tổng hợp chính, chẳng hạn như trong quá trình trùng hợp etylen và sản xuất cao su từ butadien.

Trong sản xuất bơ thực vật, dầu thực vật không bão hòa và hydro có thể được chuyển thành chất béo bão hòa nhờ vào niken rắn (chất xúc tác). Niken rắn là một chất xúc tác không đồng nhất, với chất phản ứng là chất lỏng (dầu thực vật) và khí (hydro).

Sơ đồ minh họa quá trình chuyển đổi nhựa hỗn hợp thành progan, có thể được sử dụng để tạo ra nhiên liệu tác động thấp hoặc sản xuất nhựa mới.

Ngoài ra, việc sử dụng các chất xúc tác bao gồm zeolit tinh thể xốp, được kết hợp với các hạt nano coban. Trong khi các chất xúc tác khác phá vỡ liên kết cacbon ở những vị trí không thể dự đoán, tạo ra các sản phẩm cuối khác nhau. Các nhà khoa học cho rằng tương lai cần tập trung vào công nghệ này để mở rộng khả năng tái chế nhựa cũ và giảm thiểu ảnh hưởng của nhựa đối với môi trường.

Trên đây là câu trả lời của Mytour về chủ đề 'Chất xúc tác là gì? Ví dụ về chất xúc tác trong đời sống'. Hy vọng bài viết đã cung cấp những thông tin hữu ích cho bạn đọc.