Xúc tác

Xúc tác
Ra đời từ những thí nghiệm hết sức tình cờ, xúc tác đã thể hiện vai trò lớn của nó trong
hóa học. Khi có mặt với một lượng dù rất nhỏ, chúng có thể kích thích một phản ứng
nào đó xảy ra, mà trên thực tế, phản ứng đó không xảy ra hoặc xảy ra rất chậm ở điều
kiện khảo sát xác định (hoặc chỉ xảy ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao). Chúng
cũng có thể làm giảm tốc độ của những phản ứng không mong muốn (phản ứng tạo
sản phẩm phụ), và định hướng quá trình đi vào phản ứng chính, từ đó làm tăng hiệu
suất tạo sản phẩm chính. Xúc tác cũng có thể chỉ dành cho một phản ứng cụ thể nào
đó hoặc cho một giai đoạn nào đó của phản ứng, nhưng nó cũng có thể dành cho một
vài nhóm phản ứng. Xúc tác cũng có thể được sử dụng ở nhiều dạng khác nhau.
2.3.3 Ảnh hưởng của chất xúc tác đến vận tốc phản ứng
Ra đời từ những thí nghiệm hết sức tình cờ, xúc tác đã thể hiện vai trò lớn của nó trong
hóa học. Khi có mặt với một lượng dù rất nhỏ, chúng có thể kích thích một phản ứng nào đó xảy
ra, mà trên thực tế, phản ứng đó không xảy ra hoặc xảy ra rất chậm ở điều kiện khảo sát xác định
(hoặc chỉ xảy ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao). Chúng cũng có thể làm giảm tốc độ của
những phản ứng không mong muốn (phản ứng tạo sản phẩm phụ), và định hướng quá trình đi
vào phản ứng chính, từ đó làm tăng hiệu suất tạo sản phẩm chính. Xúc tác cũng có thể chỉ dành
cho một phản ứng cụ thể nào đó hoặc cho một giai đoạn nào đó của phản ứng, nhưng nó cũng có
thể dành cho một vài nhóm phản ứng. Xúc tác cũng có thể được sử dụng ở nhiều dạng khác nhau.
Tác dụng của chất xúc tác mạnh như vậy, nên trong hóa học, đặc biệt trong sản xuất công
nghiệp hóa chất, chất xúc tác đóng vai trò vô cùng quan trọng. Nó có thể khiến nhà sản xuất tiết
kiệm được vài lần, vài chục lần, thậm chí vài trăm lần thời gian và kinh phí mà mỗi phản ứng
hóa học cần dùng, nâng cao hiệu quả sản xuất.
Do đó, việc nghiên cứu về chất xúc tác, ảnh hưởng của chất xúc tác, cơ chế của quá trình
xúc tác hoặc nghiên cứu để tìm chất xúc tác mới là hướng quan tâm lớn không chỉ trong hóa học
mà cả trong công nghệ hóa học và đời sống.
2.3.3.1 Một số khái niệm cơ bản
a) Chất xúc tác và phân loại
Năm 1835, nhà hóa học Thụy Điển J. J. Berzelius (Jöns Jakob Berzelius) đã đưa ra thuật
ngữ Catalysis và mở ra một kỷ nguyên mới cho khoa học xúc tác. Ông cho rằng, chất xúc tác là
một chất mà sự có mặt của nó làm cho phản ứng giữa một chất hoặc hỗn hợp các chất xảy ra;
phản ứng này sẽ không xảy ra nếu như không có mặt của chất này.
Còn theo nhà hóa học người Đức F. W. Ostwald (Friedrich Wilhelm Ostwald), ông cho
rằng chất xúc tác không gây ra phản ứng hóa học, nó chỉ tăng tốc hay kìm hãm phản ứng mà
thôi. Ông cũng từng có nhận xét rằng: không có phản ứng hóa học nào mà không bị ảnh hưởng bởi xúc tác.
Các định nghĩa trên đều đúng với nhiều phản ứng xúc tác.
Cho tới nay, khái niệm về chất xúc tác được nêu một cách tổng quát hơn: "Chất xúc tác là
chất làm thay đổi vận tốc của phản ứng (kích thích hoặc kìm hãm phản ứng), mà sau phản
ứng nó không bị biến đổi cả về lượng và chất".
Chất xúc tác được hoàn nguyên, không biến đổi về phương diện hóa học nhưng có thể
thay đổi về phương diện vật lý.
Ví dụ: Rượu isopropyl có thể chuyển hóa thành axeton và hiđro, hoặc thành propylen và nước
theo các hướng phản ứng sau:
Cần chú ý, nếu chất có xúc tác cho phản ứng nhưng không được hoàn nguyên, ví dụ: Na được
thêm vào trong quá trình lưu hóa cao su thì sẽ tăng vận tốc lưu hóa tăng, tuy nhiên, cuối quá trình
thì Na nằm lại trong cao su, sẽ được gọi là chất xúc tiến.
Người ta phân loại chất xúc tác dựa trên tác dụng của chất xúc tác lên vận tốc phản ứng.
Chất xúc tác làm tăng vận tốc phản ứng hoặc kích thích phản ứng được gọi là chất xúc tác
dương. Chất xúc tác làm giảm vận tốc phản ứng hoặc kìm hãm phản ứng được gọi là chất xúc tác âm.
b) Phân loại phản ứng có chất xúc tác, các quá trình xúc tác
- Quá trình (phản ứng) xúc tác đồng thể: là phản ứng có xúc tác, trong đó, chất xúc tác và
chất phản ứng hợp thành một pha (khí hoặc lỏng). Ví dụ: phản ứng oxi hóa khí sunfurơ
bằng oxi thành anhiđrit sunfuric với xúc tác là oxit nitơ (NO): ) K ( 3 NO ) K ( 2 ) K ( 2 SO 2 O SO 2 ) K (

- Quá trình (phản ứng) xúc tác dị thể: là phản ứng có xúc tác, trong đó, chất xúc tác và chất
phản ứng thuộc các pha khác nhau. Ví dụ: phản ứng cho hơi etanol qua oxit nhôm (chất xúc tác thể rắn): ) H ( 2 ) K ( 2 2 O Al ; C 300 ) H ( 2 3 O H CH CH OH CH CH ) R ( 3 2 o

- Quá trình (phản ứng) xúc tác men (xúc tác Enzym): là phản ứng có những chất xúc tác
sinh học (hay còn gọi là Enzym).
Ví dụ: phản ứng thủy phân urê với xúc tác là enzym urêazơ: 2 3 Urêazo 2 2 2
CO NH 2 O H ) NH ( CO 
- Quá trình (phản ứng) tự xúc tác: là phản ứng mà một trong những sản phẩm của phản ứng
đóng vai trò chất xúc tác. Ví dụ: Mn 2+
(sản phẩm của phản ứng) đóng vai trò là chất xúc tác cho phản ứng:
O H 8 SO K MnSO 2 CO 10 SO H 3 O C H 5 KMnO 2 2 4 2 4 2 4 2 4 2 2 4

Ban đầu, phản ứng xảy ra rất chậm, sau khi Mn 2+
được sinh ra, vận tốc phản ứng tăng lên
nhanh chóng, sau đó giảm dần do nồng độ các chất tham gia phản ứng giảm.
c) Đặc điểm chính của chất xúc tác
- Chất xúc tác có tính chọn lọc (mỗi chất xúc tác thường chỉ có tác dụng với phản ứng, đôi
khi có tác dụng cho nhóm phản ứng xác định);
- Chất xúc tác không gây nên chuyển dịch cân bằng, mà chỉ làm cho phản ứng nhanh
chóng đạt đến trạng thái cân bằng;
- Trong các phản ứng xúc tác đồng thể, tác dụng của chất xúc tác tỷ lệ với lượng chất xúc C 3 H 6 + H 2
O (2) (chủ yếu, nếu xúc tác là Al 2 O 3 ) CH 3 COCH 3 + H 2
(1) (chủ yếu, nếu xúc tác là ZnO) C 3 H 7 OH tác;
- Trong đa số trường hợp, tác dụng của chất xúc tác dương là làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng;
- Chất xúc tác có thể giảm hoạt tính, thậm chí mất hẳn hoạt tính khi gặp một số chất nào
đó, những chất này được gọi là chất độc xúc tác; ngược lại, chất xúc tác cũng có thể tăng
mạnh hoạt tính, tăng độ bền khi gặp một số chất, những chất này được gọi là chất kích thích xúc tác.
2.3.3.2 Cơ chế của phản ứng xúc tác
Có rất nhiều lý thuyết khác nhau được đưa ra để giải thích cơ chế của quá trình xúc tác,
dưới đây là một vài cơ chế phổ biến nhất.
a) Cơ chế phản ứng xúc tác đồng thể
Với phản ứng xúc tác đồng thể, cơ chế xúc tác thường được giải thích bằng thuyết hợp
chất trung gian. Luận điểm cơ bản của thuyết này là: "Hợp chất trung gian là hợp chất được hình
thành giữa một trong các chất tham gia phản ứng với chất xúc tác. Hợp chất này không bền, ngay
sau khi tạo thành, nó sẽ phản ứng với chất phản ứng còn lại để tạo ra sản phẩm và giải phóng ra
chất xúc tác". Giả sử, xét phản ứng xảy ra giữa hai chất A và B. Phản ứng này xảy ra chậm để tạo thành sản phẩm AB:
A + B A – B Phản ứng xảy ra chậm (do năng lượng hoạt hóa cao).
Khi cho chất xúc tác C vào hệ, thì A hoặc B tác dụng với chất xúc tác C (giả sử A tác dụng với C):
A + C A – C Phản ứng xảy ra nhanh (do năng lượng hoạt hóa thấp).
Hợp chất A – C là hợp chất trung gian, nó dễ dàng phản ứng với B để tạo thành sản phẩm
A – B và giải phóng ra chất xúc tác C:
B + A – C A – B + C Phản ứng xảy ra nhanh.
Sau phản ứng, chất xúc tác C lại được hoàn lại và không bị biến đổi cả về chất và lượng.
Vậy, khi có mặt xúc tác C, thì phản ứng: B A B A C 
Phản ứng xảy ra nhanh hơn rất nhiều.
Hình II-1 cho thấy biểu đồ năng lượng hoạt hóa và tiến trình phản ứng xảy ra, khi không
có mặt chất xúc tác và khi có mặt chất xúc tác. Trong cơ chế này, do tạo thành hợp chất trung
gian nên có lợi về mặt năng lượng phản ứng.
Hình II-1. Biểu đồ năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không chất xúc tác
và khi có mặt chất xúc tác đồng thể
Thuyết hợp chất trung gian, do đó, cũng đã làm sáng tỏ:
- Chất xúc tác không bị biến đổi cả về chất và lượng sau phản ứng;
- Chất xúc tác có tính chọn lọc;
- Tác dụng của chất xúc tác tỷ lệ với lượng chất xúc tác;
- Chất xúc tác dương làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng.
b) Cơ chế phản ứng xúc tác dị thể
Phản ứng xúc tác dị thể là phản ứng rất phổ biến trong hóa học và công nghệ hóa học.
Hầu hết các chất xúc tác đều ở trạng thái rắn và chất phản ứng thì ở trạng thái khí hoặc lỏng.
Thuyết hợp chất trung gian đã được sử dụng để giải thích cơ chế của phản ứng loại này, tuy
nhiên trong nhiều trường hợp việc vận dụng thuyết này gặp nhiều khó khăn.
Các nghiên cứu tiếp theo cho thấy rằng, phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt của chất xúc tác,
và do đó, sự khuếch tán, hấp phụ của các chất phản ứng, giải hấp và khuếch tán của các chất sản
phẩm trên bề mặt chất xúc tác đóng vai trò rất quan trọng. Do có sự hấp phụ bề mặt mà nồng độ
các chất phản ứng tăng nên vận tốc phản ứng tăng.
Hình II-2 cho thấy biểu đồ năng lượng hoạt hóa và tiến trình phản ứng xảy ra, khi không
có mặt chất xúc tác và khi có mặt chất xúc tác.
Phản ứng không có chất xúc tác Chất tham gia A + B Chất sản phẩm A–B [B + A–C] Trạng thái trung gian Năng lượng Tiến trình phản ứng Phản ứng có chất xúc tác
Hình II-2. Biểu đồ năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không chất xúc tác
và khi có mặt chất xúc tác dị thể theo thuyết hấp phụ
Theo thuyết hấp phụ, cơ chế của phản ứng xúc tác dị thể xảy ra theo nhiều giai đoạn. Có
thể chia cơ chế hấp phụ thành ba giai đoạn chính: khuếch tán, hấp phụ – giải hấp phụ và biến hóa
bề mặt; các giai đoạn có thể được mô tả chi tiết như sau:
- Giai đoạn khuếch tán: Các chất tham gia phản ứng đến bề mặt chất xúc tác và ngược lại.
- Giai đoạn hấp phụ: Xảy ra sự hấp phụ hóa học, làm thay đổi cấu trúc electron và giảm độ
bền các liên kết chất tham gia phản ứng (giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng). Đây
là quá trình chuyển chất phản ứng vào trạng thái hoạt động, lúc này các hợp phần phản
ứng trên bề mặt bị thay đổi, kèm theo sự hình thành hoặc sự phân hủy các hợp chất bề
mặt (sản phẩm trung gian). Đồng thời với quá trình hấp phụ sẽ là quá trình giải hấp và
khuếch tán sản phẩm ra khỏi vùng phản ứng.
Điều này cho thấy: hoạt tính của chất xúc tác phụ thuộc không chỉ vào độ lớn của bề
mặt, mà còn vào tính chất của bề mặt, cấu tạo, trạng thái và thành phần hóa học của
lớp bề mặt.
Phản ứng không có xúc tác
Phản ứng có chất xúc tác Năng lượng Tiến trình phản ứng Chất tham gia Hấp phụ bề mặt Phản ứng bề mặt Hấp phụ sản phẩm Sản phẩm
- Giai đoạn biến hóa bề mặt: Các hợp phần phản ứng (ở dạng hợp chất bề mặt) tương tác
với nhau hoặc tương tác với hợp phần khác từ chất lỏng hoặc khí, rồi tạo thành sản phẩm phản ứng.
Ngoài cách chia ba giai đoạn trên, có thể chia nhỏ cơ chế phản ứng xúc tác theo thuyết
hấp phụ thành năm giai đoạn: khuếch tán, hấp phụ, chuyển hóa, giải hấp và khuếch tán.
- Chuyển chất tới miền phản ứng.
- Hấp phụ chất phản ứng trên bề mặt phân chia pha.
- Phản ứng tiến hành trên bề mặt phân cách pha.
- Phản ứng hấp phụ sản phẩm khỏi bề mặt phân cách pha.
- Chuyển sản phẩm phản ứng khỏi miền phản ứng.
Tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào tốc độ của giai đoạn nào chậm nhất. Thường thì cân
bằng hấp phụ thiết lập nhanh, nghĩa là tốc độ hấp phụ nhanh hơn tốc độ khuếch tán và tốc độ
phản ứng hóa học. Nếu quá trình khuếch tán là chậm nhất thì tốc độ của phản ứng chủ yếu được
quyết định bởi tốc độ khuếch tán, trường hợp này, phản ứng diễn ra trong vùng khuếch tán (với
hằng số tốc độ là hệ số khuếch tán, ký hiệu là D). Nếu tốc độ của phản ứng hóa học xảy ra trên
bề mặt là chậm nhất thì tốc độ của phản ứng chủ yếu được quyết định bởi tốc độ của phản ứng
hóa học, trường hợp này, phản ứng diễn ra trong miền động học (với hằng số tốc độ là hằng số tốc độ phản ứng).