Chất xúc tác là gì? Ví dụ về chất xúc tác trong đời sống
Ra đời từ những thí nghiê ̣m hết sức tình cờ, xúc tác đã thể hiê ̣n vai trò to lớn của nó trong hoá ho ̣c,
nó không chỉ tiết kiê ̣m đươ ̣c thời gian và chi phí mà còn có thể làm giảm tốc đô ̣ của những phản
ứng không mong muốn (phản ứng ta ̣o sản phẩm phu ̣). Do đó viê ̣c nghiên cứu về chất xúc tác ngày
càng trở nên quan tro ̣ng hơn để có thể áp du ̣ng không chỉ hoá ho ̣c mà còn cả trong công nghê ̣ hoá hoa ̣c và đời sống
1. Chất xúc tác là gì?
Chất xúc tác là một hay nhiều chất phản ứng tham gia vào quá trình xúc tác làm thay đổi tốc
độ của một phản ứng hoá học. Chất xúc tác khác biê ̣t với các chất khác trong phản ứng hoá
ho ̣c, các chất này không bi ̣ mất đi trong quá trình phản ứng.
Ví du ̣: H2O2 phân huỷ châ ̣m dùng trong dung di ̣ch ở nhiê ̣t đô ̣ thường
2H2O2 => 2H2O + O2.
Nếu cho mô ̣t ít bô ̣t MnO2 vào dung di ̣ch thì bo ̣t oxi thoát ra nhanh hơn
Vâ ̣y, chất xúc tác cũng có thể coi là những chất có tính chất hoá ho ̣c không thay đổi trước và sau
phản ứng hoá ho ̣c. Để đa ̣t đươ ̣c tra ̣ng thái trung gian, chất xúc tác cũng cần ít năng lươ ̣ng giải
phóng hơn, tuy nhiên la ̣i không làm thay đổi tổng năng lươ ̣ng giải phóng từ chất phản ứng sang
chất ta ̣o thành không đổi, có thể làm tăng tốc đô ̣ phản ứng hoá ho ̣c lên nhiều lần, hàng chu ̣c lần,
hàng trăm lần nên rút ngắn đươ ̣c thời gian cao, đồ ng thời nâng cao chất lươ ̣ng hiê ̣u suất.
Chất xúc tác gồm có chất xúc tác sinh học và chất xúc tác vật lý.
Chất xúc tác sinh ho ̣c hay còn go ̣i là Enzym, là protein đẩy nhanh tốc đô ̣ phản ứng hoá ho ̣c.
Chất xúc tác vâ ̣t lý điển hình có thể kể đến các chất bôi trơn hoă ̣c các chất gây đông tu ̣, là các chất
có tác du ̣ng thay đổi tính chất vâ ̣t lý của chất bi ̣tác du ̣ng.
2. Đă ̣c điểm chính của chất xúc tác
Thứ nhất, chất xúc tác có đă ̣c điểm làm giảm năng lươ ̣ng hoa ̣t hoá của phản ứng (Năng lươ ̣ng hoa ̣t
hoá của chất là năng lươ ̣ng tối thiểu cần cung cấp cho các tiểu phân để chúng trở thành hoa ̣t đô ̣ng,
có khả năng phản ứng).
Mô ̣t chất xúc tác có thể làm giảm năng lươ ̣ng kích hoa ̣t bằng cách hình thành tra ̣ng thái chuyển
tiếp theo cách thuâ ̣n lơ ̣i hơn. Các chất xúc tác, về bản chất, ta ̣o ra sự phù hơ ̣p "thoải mái" hơn cho
chất nền của phản ứng để tiến tới tra ̣ng thái chuyển tiếp. Điều này có thể là do sự giải phóng năng
lươ ̣ng xảy ra khi chất nền liên kết với vi ̣ trí hoa ̣t đô ̣ng của chất xúc tác. Năng lượng này được go ̣i
là năng lươ ̣ng liên kết. Khi liên kết với chất xúc tác, các chất nền tham gia vào nhiều lực ổn đi ̣nh
trong khi ở vi ̣ trí hoa ̣t đô ̣ng (tức là liên kết hydro, lực van der Waals). Liên kết xảy ra cu ̣ thể và
thuâ ̣n lơ ̣i trong vi ̣trí hoa ̣t đô ̣ng cho đến khi chất nền hình thành tra ̣ng thái chuyển đổi năng lươ ̣ng
cao. Mô ̣t phản ứng hoá ho ̣c có thể ta ̣o ra mô ̣t phân tử tra ̣ng thái chuyển tiếp năng lươ ̣ng cao dễ
dàng hơn khi có có sự phù hơ ̣p ổn đi ̣nh trong vi ̣ trí hoa ̣t đô ̣ng của chất xúc tác.
Năng lươ ̣ng liên kết là năng lượng được giải phóng khi xảy ra tương tác thuâ ̣n lợi giữa chất nền và
chất xúc tác. Năng lươ ̣ng liên kết đươ ̣c giải phóng hỗ trơ ̣ trong viê ̣c đa ̣t đươ ̣c tra ̣ng thái chuyển
tiếp không ổn đi ̣nh. Các phản ứng khác không có chất xúc tác cần mô ̣t nguồn năng lươ ̣ng đầu vào
cao hơn để đa ̣t được tra ̣ng thái chuyển tiếp. Phản ứng không xúc tác không có sẵn năng lượng tự
do từ các tương tác ổn đi ̣nh vi ̣ trí hoa ̣t đô ̣ng, chẳng ha ̣n như phản ứng enzyme xúc tác.
Thứ hai, chất xúc tác có tính cho ̣n lo ̣c (mỗi chất xúc tác thường chỉ có tác du ̣ng với phản ứng, đôi
khi có tác du ̣ng cho nhóm phản ứng xác đi ̣nh).
Thứ ba, chất xúc tác không gây nên chuyển di ̣ch cân bằng, mà chỉ làm cho phản ứng nhanh chóng
đa ̣t đến trong thái cân bằng.
Thứ tư, trong các phản ứng xúc tác đồng thể, tác du ̣ng của chất xúc tác tỷ lê ̣ với lươ ̣ng xúc tác.
Cuối cùng, chất xúc tác có thể làm giảm hoa ̣t tính, thâ ̣m chí mất hẳn hoa ̣t tính khi gă ̣p mô ̣t số chất
nào đó, những chất này đươ ̣c go ̣i là chất đô ̣c xúc tác; ngươ ̣c la ̣i, chất xúc tác cũng có thể tăng ma ̣nh
hoa ̣t tính, tăng đô ̣ bền khi gă ̣p mô ̣t số chất, những chất này đươ ̣c go ̣i là chất kích thích xúc tác.
3. Phân loa ̣i chất xúc tác
Dựa theo trạng thái của chất xúc tác, chia chất xúc tác thành chất xúc tác lỏng và chất xúc tác rắn.
Chủ yếu sẽ phân loa ̣i chất xúc tác dựa theo trạng thái pha của hê ̣ phản ứng, chất xúc tác đươ ̣c
phân làm 3 loa ̣i: chất xúc tác đồng thể, chất xúc tác di ̣ thể và chất xúc tác sinh ho ̣c.
Về chất xúc tác đồng thể, phản ứng trong chứa chất xúc tác đồng thể và chất phản ứng ở cùng mô ̣t
pha mà không tồn ta ̣i ranh giới, và chất xúc tác có thể đóng vai trò xúc tác đồng thể là chất xúc tác
đồng thể. Chất xúc tác đồng thể bao gồm axit lỏng, chất xúc tác bazơ và axit rắn Color Base và
chất xúc tác bazo, các hơ ̣p chất kim loa ̣i chuyển tiếp hoà tan (muối và phức chất) và các loa ̣i tương
tự. Chất xúc tác đồng thể hoa ̣t đô ̣ng đô ̣c lâ ̣p với các phân tử hoă ̣c ion, có các tâm hoa ̣t đô ̣ng đồng
nhất, có hoa ̣t tính và đô ̣ cho ̣n lo ̣c cao. Quá trình xúc tác đồng thể là phản ứng có xúc tác, trong đó
chất xúc tác và chất phản ứng hơ ̣p thành mô ̣t pha (khí và lỏng).
Ví du ̣: phản ứng oxi hoá khí sunfurơ bằng oxi thành anhidrit sunfurit với xúc tác là oxit nito (NO): 2 SO2(K) + O2(K)     2SO3(K)
Về chất xúc tác di ̣ thể, còn đươ ̣c go ̣i là chất xúc tác di ̣ thể, đươ ̣c sử du ̣ng trong các phản ứng của
các giai đoa ̣n khác nhau, tức là ở các tra ̣ng thái khác với chất phản ứng mà chúng xúc tác. Mô ̣t
phản ứng xúc tác di ̣ thể đơn giản liên quan đến sự hấp thu ̣ của chất phản ứng trên bề mă ̣t của chất
xúc tác. Các liên kết trong chất phản ứng bi ̣phá vỡ và các liên kết mới đươ ̣c ta ̣o ra, nhưng do liên
kết giữa sản phẩm và chất xúc tác không ma ̣nh, sản phẩm đươ ̣c giải phóng khỏi vi ̣ trí phản ứng và
các quá trình khác. Nhiều cấu trúc khá nhau của sự hấp thu ̣ và phản ứng trên bề mă ̣t của chất xúc
tác đã đươ ̣c biết đến. Quá trình phản ứng xúc tác di ̣thể là phản ứng chất xúc tác và chất phản ứng
thuô ̣c các pha khác nhau. Ví du ̣: phản ứng hơi etanol qua oxit nhôm (chất xúc tác thể rắn)
Về chất xúc tác sinh học, Enzyme là chất xúc tác sinh ho ̣c, là những chất hữu cơ có khả năng xúc
tác do thực vâ ̣t, đô ̣ng vâ ̣t và vi sinh vâ ̣t ta ̣o ra (hầu hết các protein, nhưng mô ̣t lươ ̣ng nhỏ RNA
cũng có chức năng xúc tác sinh ho ̣c). Sự xúc tác của các enzym cũng có tính cho ̣n lo ̣c như enzyme
xúc tác trong quá trình thuỷ phân tinh bô ̣t thành dextrin và maltose, và protease xúc tác quá trình
thuỷ phân protein thành peptit...Các sinh vâ ̣t sống sử du ̣ng chúng để tăng tốc quá trình phản ứng
hoá ho ̣c trong cơ thể. Ví du ̣: phản ứng thuỷ phân urê với chất xúc tác là enzym urêazơ: CO(NH2)2 + H2O 2NH3 + CO2
4. Chất xúc tác đươ ̣c ứng du ̣ng trong cuộc sống
Thứ nhất, du ̣ng cu ̣ lo ̣c khí ứng du ̣ng sự oxy hoá ở nhiê ̣t đô ̣ thấp, trong đó chất xúc tác đươ ̣c sử
du ̣ng để chuyển đổi cacbonmonoxit thành cacbon dioxide ít đô ̣c hơn ở nhiê ̣t đô ̣ phòng, Nó cũng
có thể dùng để loa ̣i bỏ formaldehyde trong không khí.
Thứ hai, trong các nhà máy sản xuất phân đa ̣m, người ta thường dùng sắt làm chất xúc tác để tăng
vâ ̣n tố c phản ưng giữa nitow và hydro qua tác du ̣ng xúc tác bề mă ̣t, nhờ vào đó nito và hydro trong
hỗ hơ ̣p dễ ta ̣o thành amonia. Nếu không có chất xúc tác thì trong cùng điều kiê ̣n nhiê ̣t đô ̣ và áp
suất, phản ứng tổng hơ ̣p của amonia sẽ xảy ra với tốc đô ̣ rất châ ̣m, không thể tiến hành sản xuất với lươ ̣ng lớn.
Thứ ba, chất xúc tác đươ ̣c ứng du ̣ng trong viê ̣c sản xuất ống xả khí thải ô tô. Ngày nay, các nhà
khoa ho ̣c đã sử du ̣ng chất xúc tác chế ta ̣o thành các thiết bi ̣ xúc tác nối vào ống thải của ô tô. Khi
khí xả ô tô qua thiết bi ̣ xúc tác sẽ đươ ̣c xử lý, các chất cháy còn dư thùa sẽ bi ̣oxi hoá biến thành
carbon dioxide và nước, còn nito oxit sẽ biến thành khí nito.
Chất xúc tác còn đươ ̣c sử du ̣ng trong sản xuất amoniac, chất xúc tác vanadi đươ ̣c sử du ̣ng trong
sản xuất axit sunfuric và các chất xúc tác khác nhau đươ ̣c sử du ̣ng trong sản xuất ba vâ ̣t liê ̣u tổng
hơ ̣p chính, chẳng ha ̣n như quá trình trùng hơp etylen và sản xuất bao cao su từ butadien.
Hay trong sản xuất bơ thực vâ ̣t, dầu thực vâ ̣t không bão hoà và hydro có thể đươ ̣c chuyển thành
chất béo bão hoà thông qua niken rắn (chất xúc tác). Niken rắn là mô ̣t chất xúc tác không đồng
nhất, và các chất phản ứng đươ ̣c xúc tác bởi nó là chất lỏng (dầu thực vâ ̣t) và thể khí (hydro).
Sơ đồ minh hoạ chất xúc tác mới chuyển đổi nhựa hỗn hợp thành progan, có thể được sử
dụng làm nhiêu liê ̣u tác động thấp hoặc sản xuất thành nhựa mới.
Thêm vào đó, viê ̣c sử du ̣ng các chất xúc tác bao gồm tinh thể xốp go ̣i là zeolit, đươ ̣c nhổi các ha ̣t
nano coban. Trong khi các chất xúc tác khác phá vỡ liên kết cacbon ở những vi ̣trí không thể
đoán trước, ta ̣o ra các sản phẩm cuối khác nhau. Các nhà khoa ho ̣c cho rằng công viê ̣c trong
tương lai sẽ cần tâ ̣p trung vào cách thức kỹ thuâ ̣t này để có thể mở rô ̣ng sử du ̣ng tái chế nhựa
cũng như có cách để ngăn chă ̣n sự ảnh hưởng của nhựa đến môi trường.