Tiểu Luận Động học xúc tác - Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

MỞ ĐẦU



Từ rất lâu, ngành hóa học đã quan tâm nghiên cứu đến hiện tượng làm thay đổi vận tốc

phản ứng khi có mặt một lượng rất bé của một chất nào đấy. Có lẽ hiện tượng này xuất phát từ

những điều hết sức tình cờ.

Vào khoảng đầu thế kỷ XVIII, nhà bác học Nga M. A. Ilinski đã nghiên cứu để điều chế

axit sulfurnic thơm (là sản phẩm trung gian để tổng hợp phẩm nhuộm) từ hợp chất hữu cơ

antraquinon C6H4(CO)2C6H4. Theo tính toán của ông, antraquinon khi được đun nóng ở 100oC

với axit sulfuric H2SO4 sẽ tạo thành axit sulfurnic có cấu tạo xác định. Ông đã tiến hành nhiều

thí nghiệm nhưng vẫn không thành công. Một hôm, ông đang tiến hành thí nghiệm thì nhiệt kế

bị vỡ, một giọt thủy ngân rơi vào bình cầu. Và chẳng khác gì phép lạ, trong bình cầu tạo thành

chất axit sulfurnic. Điều này có nghĩa rằng giọt thủy ngân đã hướng quá trình đi theo chiều

mong muốn. Thật khó nói câu chuyện này có đáng tin hay không nhưng có một điều rõ là, một

lượng nhỏ tạp chất – thủy ngân – có tác động rõ rệt đến phản ứng, có nghĩa là Hg đã xúc tác cho

phản ứng.

Cũng đầu thế kỷ XVIII, nhà bác học Anh Đêvi đã thực hiện một thí nghiệm làm các nhà

bác học nhiều nước phải chú ý. Ông thổi hỗn hợp CH4 với không khí vào một dây Pt nung nóng,

thì thấy dây Pt bị nóng đỏ lên trong hỗn hợp đó và tiếp tục nóng đỏ trong thời gian dài. Nhiều

lần ông lấy sợi dây ra để nguội trong không khí rồi lại đưa vào hỗn hợp khí, sợi dây Pt lại nóng

đỏ lên và phát sáng. Dây Pd cũng cho hiện tượng tương tự, còn Cu, Ag, Fe . thì không có. Thì

ra Pt và Pd đã gia tốc cho phản ứng oxy hóa metan bằng oxy của không khí, có nghĩa chúng là

chất xúc tác. CH4 bị đốt cháy biến thành CO2 và H2O, giải phóng một lượng nhiệt lớn làm nhiệt

độ kim loại tăng lên và kim loại phát sáng.

Gần 300 năm trôi qua kể từ khi phát minh phản ứng đốt cháy CH4 trên Pt, cho đến bây

giờ chất xúc tác đó vẫn chưa mất giá trị của nó. Trong chiến tranh thế giới I và II các nhà bác

học Nga đã ứng dụng phản ứng này bằng cách cho đầy sợi amiăng tẩm Pt vào vỏ đạn dạng lưới

và giữ vỏ đạn bên trên một bình nhỏ chứa xăng. Hơi xăng khi xâm nhập vào Pt sẽ bị oxy hóa

dần dần thành khí CO2 và H2O. Quá trình hóa học này tỏa ra rất nhiều nhiệt làm cho sợi amiăng

nóng lên và bức xạ nhiệt. Nhờ thiết bị như vậy đã cứu các chiến sĩ Xô viết khỏi bị rét cóng trong

những ngày đông ác nghiệt của cuộc chiến tranh Vệ quốc.



1

Và rất nhiều thí nghiệm xúc tác được nghiên cứu, làm sáng tỏ bản chất tác dụng xúc tác

của nhiều chất. Năm 1836 nhà bác học Thuỵ Điển Berselius lần đầu tiên đưa ra thuật ngữ “xúc

tác” vào khoa học.



Vậy hiện tượng xúc tác là gì? Hiện tượng xúc tác là làm tăng nhanh vận tốc phản ứng

dưới tác dụng của một chất, chất đó gọi là xúc tác. Chất xúc tác tạo thành hợp chất trung gian

với chất phản ứng. Cuối cùng xúc tác được hoàn nguyên (tức không có sự thay đổi về phương

diện hóa học). Hiện tượng đó gọi là hiện tượng xúc tác và phản ứng được gọi là phản ứng xúc

tác.

Nếu chất xúc tác không hoàn nguyên thì gọi là "chất xúc tiến". Ví dụ quá trình lưu hóa

cao su (cao su kết hợp với S): khi thêm Na thì vận tốc lưu hóa tăng và cuối quá trình thì Na nằm

trong cao su. Vậy Na là chất xúc tiến cho quá trình lưu hóa cao su.

Chất xúc tác sau khi tham gia vào quá trình không bị thay đổi về phương diện hóa học

nhưng có thể thay đổi tính chất vật lý (chẳng hạn như thay đổi hình dạng: từ dạng hạt sang dạng

bụi nhỏ .)

Ảnh hưởng của chất xúc tác rất mạnh và dưới tác dụng của chúng, tốc độ phản ứng có thể

tăng hàng trăm lần, hàng nghìn lần và hơn nữa. Chất xúc tác có thể kích thích những phản ứng

mà nếu không có chúng thì thực tế phản ứng không xảy ra trong điều kiện khảo sát nhất định.

Nhiều chất hóa học tham gia phản ứng rất chậm; để phản ứng xảy ra cần phải tiến hành ở nhiệt

độ và áp suất rất cao. Còn nếu chờ phản ứng trong điều kiện thường sẽ mất rất nhiều thời gian,

không phải hàng giờ mà hàng ngày, hàng tháng. Những quá trình như vậy không thích hợp

cho công nghiệp. Nhưng nếu nhờ đến các chất xúc tác thì phản ứng trở nên hoàn toàn thực hiện

được ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không cao. Điều đó có nghĩa là chất xúc tác làm tăng

nhanh tốc độ phản ứng và làm giảm năng lượng hoạt hóa. Ví dụ như hỗn hợp các chất tinh

khiết CO và O2 không phản ứng ngay cả khi đun nóng, nhưng nếu thêm một lượng rất nhỏ

Mangan dioxyt MnO2 thì toàn bộ CO biến rất nhanh thành CO2.

Ngoài tính chất đẩy mạnh tốc độ phản ứng, giảm năng lượng hoạt hóa, xúc tác còn có

tính chọn lọc, hướng quá trình đi vào phản ứng chính, giảm tốc độ phản ứng phụ, làm tăng hiệu

suất sản phẩm chính.