Mục lục bài viết

1. Chất xúc tác là gì?
2. Đặc điểm chính của chất xúc tác
3. Phân loại chất xúc tác
4. Chất xúc tác được ứng dụng trong cuộc sống

Ra đời từ những thí nghiệm hết sức tình cờ, xúc tác đã thể hiện vai trò to lớn của nó trong hoá học, nó không chỉ tiết kiệm được thời gian và chi phí mà còn có thể làm giảm tốc độ của những phản ứng không mong muốn (phản ứng tạo sản phẩm phụ). Do đó việc nghiên cứu về chất xúc tác ngày càng trở nên quan trọng hơn để có thể áp dụng không chỉ hoá học mà còn cả trong công nghệ hoá hoạc 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 biệt với các chất khác trong phản ứng hoá học, các chất này không bị mất đi trong quá trình phản ứng.

Ví dụ: H₂O₂phân huỷ chậm dùng trong dung dịch ở nhiệt độ thường

2H₂O₂=> 2H₂O + O_2.

Nếu cho một ít bột MnO₂ vào dung dịch thì bọt oxi thoát ra nhanh hơn

Vậy, chất xúc tác cũng có thể coi là những chất có tính chất hoá học không thay đổi trước và sau phản ứng hoá học. Để đạt được trạng thái trung gian, chất xúc tác cũng cần ít năng lượng giải phóng hơn, tuy nhiên lại không làm thay đổi tổng năng lượng giải phóng từ chất phản ứng sang chất tạo thành không đổi, có thể làm tăng tốc độ phản ứng hoá học lên nhiều lần, hàng chục lần, hàng trăm lần nên rút ngắn được thời gian cao, đồng thời nâng cao chất lượng hiệu suất.

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

Chất xúc tác sinh học hay còn gọi là Enzym, là protein đẩy nhanh tốc độ phản ứng hoá học.

Chất xúc tác vật lý điển hình có thể kể đến các chất bôi trơn hoặc các chất gây đông tụ, là các chất có tác dụng thay đổi tính chất vật lý của chất bị tác dụng.

2. Đặc điểm chính của chất xúc tác

Thứ nhất, chất xúc tác có đặc điểm làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng (Năng lượng hoạt hoá của chất là năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho các tiểu phân để chúng trở thành hoạt động, có khả năng phản ứng).

Một chất xúc tác có thể làm giảm năng lượng kích hoạt bằng cách hình thành trạng thái chuyển tiếp theo cách thuận lợi hơn. Các chất xúc tác, về bản chất, tạo ra sự phù hợp "thoải mái" hơn cho chất nền của phản ứng để tiến tới trạng thái chuyển tiếp. Điều này có thể là do sự giải phóng năng lượng xảy ra khi chất nền liên kết với vị trí hoạt động của chất xúc tác. Năng lượng này được gọi là năng lượng liên kết. Khi liên kết với chất xúc tác, các chất nền tham gia vào nhiều lực ổn định trong khi ở vị trí hoạt động (tức là liên kết hydro, lực van der Waals). Liên kết xảy ra cụ thể và thuận lợi trong vị trí hoạt động cho đến khi chất nền hình thành trạng thái chuyển đổi năng lượng cao. Một phản ứng hoá học có thể tạo ra một phân tử trạng thái chuyển tiếp năng lượng cao dễ dàng hơn khi có có sự phù hợp ổn định trong vị trí hoạt động của chất xúc tác.

Năng lượng liên kết là năng lượng được giải phóng khi xảy ra tương tác thuận lợi giữa chất nền và chất xúc tác. Năng lượng liên kết được giải phóng hỗ trợ trong việc đạt được trạng thái chuyển tiếp không ổn định. Các phản ứng khác không có chất xúc tác cần một nguồn năng lượng đầu vào cao hơn để đạt được trạng thái chuyển tiếp. Phản ứng không xúc tác không có sẵn năng lượng tự do từ các tương tác ổn định vị trí hoạt động, chẳng hạn như phản ứng enzyme xúc tác.

Thứ hai, 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).

Thứ ba, chất xúc tác không gây nên chuyển dịch cân bằng, mà chỉ làm cho phản ứng nhanh chóng đạt đến trong thái cân bằng.

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

Cuối cùng, chất xúc tác có thể làm 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.

3. Phân loại 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 loại chất xúc tác dựa theo trạng thái pha của hệ phản ứng, chất xúc tác được phân làm 3 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 trong chứa chất xúc tác đồng thể và chất phản ứng ở cùng một pha mà không tồn tại 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 hợp chất kim loại chuyển tiếp hoà tan (muối và phức chất) và các loại tương tự. Chất xúc tác đồng thể hoạt động độc lập với các phân tử hoặc ion, có các tâm hoạt động đồng nhất, có 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 hợp thành một pha (khí và lỏng).

Ví dụ: phản ứng oxi hoá khí sunfurơ bằng oxi thành anhidrit sunfurit với xúc tác là oxit nito (NO):

2 SO_2(K) + O_2(K) $\overset{NO_{(K)}}{\rightarrow}$ 2SO_3(K)

Về chất xúc tác dị thể, còn được gọi là chất xúc tác dị thể, được sử dụng trong các phản ứng của các giai đoạn khác nhau, tức là ở 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 tạo ra, 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 khá nhau của sự hấp thụ và phản ứng trên bề mặt của chất xúc tác đã được biết đến. Quá trình phản ứng xúc tác dị thể là phản ứng chất xúc tác và chất phản ứng thuộc các pha khác nhau. Ví dụ: phản ứng hơi etanol qua oxit nhôm (chất xúc tác thể rắn)

Về chất xúc tác sinh học, Enzyme là chất xúc tác sinh học, là những chất hữu cơ có khả năng xúc tác do thực vật, động vật và vi sinh vật tạo ra (hầu hết các protein, nhưng một lượng nhỏ RNA cũng có chức năng xúc tác sinh học). Sự xúc tác của các enzym cũng có tính chọn lọc như enzyme xúc tác trong quá trình thuỷ phân tinh bột thành dextrin và maltose, và protease xúc tác quá trình thuỷ phân protein thành peptit...Các sinh vật sống sử dụng chúng để tăng tốc quá trình phản ứng hoá học trong cơ thể. Ví dụ: phản ứng thuỷ phân urê với chất xúc tác là enzym urêazơ:

CO(NH₂)₂ + H₂O $\overset{Ureazo}{\rightarrow}$ 2NH₃ + CO₂

4. Chất xúc tác được ứng dụng trong cuộc sống

Thứ nhất, dụng cụ lọc khí ứng dụng sự oxy hoá ở nhiệt độ thấp, trong đó chất xúc tác được sử dụng để 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, người ta thường dùng sắt làm chất xúc tác để tăng vận tốc phản ưng giữa nitow và hydro qua tác dụng xúc tác bề mặt, nhờ vào đó nito và hydro trong hỗ hợp dễ tạo thành amonia. Nếu không có chất xúc tác thì trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, phản ứng tổng hợp của amonia sẽ xảy ra với tốc độ rất chậm, không thể tiến hành sản xuất với lượng lớn.

Thứ ba, chất xúc tác được ứng dụng trong việc sản xuất ống xả khí thải ô tô. Ngày nay, các nhà khoa học đã sử dụng chất xúc tác chế tạo thành các thiết bị xúc tác nối vào ống thải của ô tô. Khi khí xả ô tô qua thiết bị xúc tác sẽ được xử lý, các chất cháy còn dư thùa sẽ bị oxi hoá biến thành carbon dioxide và nước, còn nito oxit sẽ biến thành khí nito.

Chất xúc tác còn được sử dụng trong sản xuất amoniac, chất xúc tác vanadi được sử dụng trong sản xuất axit sunfuric và các chất xúc tác khác nhau được sử dụng trong sản xuất ba vật liệu tổng hợp chính, chẳng hạn như quá trình trùng hơp etylen và sản xuất bao cao su từ butadien.

Hay trong sản xuất bơ thực vật, dầu thực vật không bão hoà và hydro có thể được chuyển thành chất béo bão hoà thông qua niken rắn (chất xúc tác). Niken rắn là một chất xúc tác không đồng nhất, và các chất phản ứng được xúc tác bởi nó là chất lỏng (dầu thực vật) và thể khí (hydro).

chat xuc tac

Sơ đồ minh hoạ chất xúc tác mới chuyển đổi nhựa hỗn hợp thành progan, có thể được sử dụng làm nhiêu liệu tác động thấp hoặc sản xuất thành nhựa mới.

Thêm vào đó, việc sử dụng các chất xúc tác bao gồm tinh thể xốp gọi là zeolit, được nhổi các hạt nano coban. Trong khi các chất xúc tác khác phá vỡ liên kết cacbon ở những vị trí không thể đoán trước, tạo ra các sản phẩm cuối khác nhau. Các nhà khoa học cho rằng công việc trong tương lai sẽ cần tập trung vào cách thức kỹ thuật này để có thể mở rộng sử dụng tái chế nhựa cũng như có cách để ngăn chặn sự ảnh hưởng của nhựa đến môi trường.

Trên đây là câu trả lời của Luật Minh Khuê về nội dung "Chất xúc tác là gì? Ví dụ về chất xúc tác trong đời sống", mong rằng đem đến cho bạn đọc những thông tin hữu ích.