Đề tài Chất xúc tác và xúc tác trong quá trình chuyển hóa hydrocacbon

 Hóa học là một bộ môn khoa học thực nghiệm. Trong sự phát triển của 
khoa học ký thuật, ngày nay Hóa học còn được nghiên cứu sâu rộng và vững 
chắc về cơ sở lý thuyết các quá trình hóa học. Trong đó Hóa lý và cấu tạo chất 
đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc nghiên cứu cơ sở lý luận các quá 
trình hóa học. 
 Nghiên cứu lý thuyết về xúc tác là một nhiệm vụ quan trọng của Hóa lý, 
vì nó tìm ra được con đường lợi nhất về mặt năng lượng của phản ứng hóa học. 
Vì thế nó rất có ý nghĩa đối với quá trình sản xuất trong thực tế đời sống. Với 
tính ưu biệt về sự chọn lọc của xúc tác, các nhà nghiên cứu có thể tìm ra được 
những giải pháp tối ưu để tiến hành tổng hợp một cách có lợi nhất. Đặc biệt các 
phản ứng trong hóa học hữu cơ thường diễn ra theo nhiều giai đoạn và theo 
nhiều hướng khác nhau, sử dụng xúc tác có thể điều chỉnh được chiều hướng 
của phản ứng và nâng cao được hiệu suất phản ứng.
 Việc giúp cho học sinh nắm kỹ hơn ảnh hưởng của xúc tác đến các quá 
trình chuyển hóa hidrocacbon nói riêng là rất cần thiết. Vì vậy, tôi đã chọn đề 
tài: “CHẤT XÚC TÁC VÀ XÚC TÁC TRONG QUÁ TRÌNH CHUYỂN 
HÓA HYDROCACBON”.
 Người thực hiện
 Đặng Bá Hưng
 CHẤT XÚC TÁC VÀ XÚC TÁC TRONG QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA 
 HYDROCACBON
Chương I.
 CHẤT XÚC TÁC
I. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ XÚC TÁC:
I.1. Hiện tượng xúc tác, chất xúc tác.
 Xúc tác là hiện tượng thay đổi tốc độ phản ứng gây ra do tác dụng của 
một chất gọi là chất xúc tác. Những phản ứng như thế gọi là phản ứng xúc tác.
 Chất xúc tác (theo Ostawald ) là chất mà sự có mặt của nó làm thay đổi 
tốc độ phản ứng, lượng của nó không thay đổi và không xuất hiện trong 
phương trình tỷ lượng, nhưng có mặt trong phương trình tốc độ.
 Dưới tác dụng của chất xúc tác tốc độ phản ứng có thể tăng hay giảm, 
nếu làm tăng tốc độ phản ứng gọi là chất xúc tác dương, còn là giảm tốc độ 
phản ứng gọi là chaát xúc tác âm. Những phản ứng trong đó chất phản ứng (chất 
đầu, chất cuối) đóng vai trò là chất xúc tác gọi là phản ứng tự xúc tác. Những 
không phụ thuộc vào quá trình trung gian, do đó chất xúc tác E không ảnh 
hưởng đến hằng số cân bằng.
I.2.3. Chất xúc tác không thể gây ra phản ứng (không làm thay đổi dấu G 
của phản ứng).
 Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, phả ứng tự diễn ra được khi G < 0. 
Đối với phản ứng có tốc độ rất nhỏ (đến nỗi không nhận ra) khi dùng chất xúc 
tác sẽ làm thay đổi tốc độ phản ứng. Trường hợp G > 0 (phản ứng không tự 
diễn ra) thì dù có sử dụng chất xúc tác hay không cũng không thể làm cho phản 
ứng xảy ra được.
 Như vậy chất xúc tác chỉ có tác dụng thay đổi tốc độ phản ứng chứ 
không phải là điều kiện để phản ứng ãẫẩy ra. Tác dụng của chất xúc tác là ở 
chỗ chúng hướngphản ứng thEo con đường mới với năng lượng hoạt động hoá 
tấp hơn so với khi không có chất xúc tác, do đó làm tăng tốc độ phản ứng. Chất 
xúc tác càng hoạt động (gọi là hoạt tính xúc tác) mạnh thì tác dụng làm giảm 
năng lương hoạt động hoá càng nhiều.
I.3. Hằng số xúc tác:
 Cho phản ứng: A k X (Phản ứng không xúc tác)
 A E k X E (Phản ứng có xúc tác)
 Dễ dàng xác định:
 dA dX
 v kA
 dt dt
 dA dX β
 v k A.E
 dt dt E
 β
 Từ đó suy ra: k k E E
 Ở đây kE là hằng số xúc tác, tức là hằng số tốc độ phản ứng có xúc tác, 
khi [E] = 1 mol/l, thì kE = k.
 Vậy, hằng số xúc tác là hằng số tốc độ phản ứng khi nồng đọ chất xúc 
tác bằng đơn vị. Đại lượng này đặc trưng cho quá trình xúc tác, có thể xác định 
bằng thực nghiệm, dựa vào sự phụ thuộc: 
 lnk = lnkE + ln[E].
II. XÚC TÁC ĐỒNG THỂ:
 Xúc tác đồng thể là xúc tác trong đó chất xúc tác ở cùng pha với chất 
phản ứng.
II.1. Đặc điểm của xúc tác đồng thể:
 Như vậy tốc độ của toàn phản ứng được xác định theo tốc độ của phản 
ứng phân hủy chất trung gian thành sản phẩm (phản ứng chậm nhất):
 dA k3k1A
 k3AE * E0
 dt k2 k1A
 Từ biểu thức này ta thấy tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào nồng độ 
ban đầu của chất xúc tác [E]0 và chất phản ứng [A].
 Từ biểu thức tính KCB ta thấy:
 * *
 +Nếu [AE ]>>[E]0-[AE ] nghĩa là phản ứng diễn ra theo chiều hình 
 k1
thành một lượng lớn chất trung gian, ta có: KCB>>1, nghĩa là >>1 nên 
 k2
k1>>k2. Khi đó ta có:
 dA k3k1A dA
 E0 hay k3 E k0
 dt k1A dt
 Như vậy phản ứng là giả bậc không. Vậy tốc độ phản ứng không phụ 
thuộc vào nồng độ chất phản ứng.
 * *
 +Ngược lại, nếu [AE ]> k1, thì 
k2 + k1[A] ≈ k2 khi đó ta có:
 dA k1
 k 3 A.E0 K CBk 3 A.E0 kA (vì K CBk 3 E0 const)
 dt k 2
 Như vậy phản ứng là bậc 1. Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào cả nồng độ 
chất phản ứng và chất xúc tác.
II.2.2. Đối với phản ứng lưỡng phân tử. 
 k
 1 *
 Xét phản ứng: A B E = AEB k3 X E
 k2
 Cũng lý luận như trên ta, rút ra được:
 k1A.B
 AEB* E0
 k2 k1A.B
 dAEB* dA k3k1A.B
 k3AEB* và E0
 dt dt k2 k1A.B
 Nếu k2 << k1[A][B] thì k1[A][B] + k2 ≈ k1[A][B] và ta có:
 dA k3k1AB
 E0 k3E0 k0
 dt k1AB
Như vậy phản ứng là bậc 0.
Nếu k2 >> k1[A][B] thì k1[A][B] + k2 ≈ k2 và ta có:
 dA k3k1AB k1
 k3EAB kAB
 dt k2 k2
Vậy phản ứng là bậc 2
 Như vậy nhờ tác dụng của xúc tác, hợp chất trung gian AE được tạo 
thành gây ra sự giảm năng lượng hoạt động hóa Arrhenius. Theo phương trình 
Arrhenius ta mô tả hằng số tốc độ phản ứng không xúc tác bằng k và có xúc tác 
bằng kE ứng với năng lượng hoạt động hóa E1 và E2.
 E1 / RT
 k A1e
 E2 / RT
 kE A2e
 Nếu hệ số tác dụng A1 và A2 không khác nhau nhiều, nghĩa là A1A2, từ 
 k
đó ta có: E e E / RT
 k
 Biến thiên năng lượng hoạt động hóa ( E) luôn dương và lớn hơn RT do 
 E/RT
đó số hạng e luôn luôn lớn hơn 1, tức là kE > k. Vậy, nhờ tác dụng của chất 
xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng. Năng lượng hoạt động hóa xúc tác nằm trong 
khoảng 10.000 Cal/mol hoặc lớn hơn.
 Thí dụ: Đối với phản ứng:
 I2 0
 CH3CHO  CH4 CO E1 45500Cal / mol,T 800 K
 E/RT 13000/1,978.800 3,5
 E2 32500Cal / mol, do đó e e  kE 10 k
III. XÚC TÁC DỊ THỂ.
 Xúc tác dị thể là xúc tác trong đó chất xúc tác ở khác pha với chất phản 
ứng.
 Chất xúc tác dị thể thường là chất rắn, phản ứng diễn ra trên bề mặt chất 
xúc tác. Thường gặp nhất là hệ xúc tác rắn – khí, ngoài ra còn có hệ rắn – lỏng.
III.1. Đặc điểm của xúc tác dị thể.
 Đặc điểm của xúc tác dị thể là phản ứng diễn ra theo nhiều giai đoạn, thể 
hiện tính chọn lọc một cách rõ rệt. Chất xúc tác dị thể có hai đặc trưng:
 - Quá trình xảy ra ở lớp đơn phân tử trên bề mặt chất xúc tác. Đặc trưng 
này thể hiện ở chỗ quá trình khuếch tán và hấp phụ đóng vai trò qan trọng.
 - Chất xúc tác không phản là những phân tử, ion riêng rẽ mà là một tổ 
hợp các nguyên tử, ion.
III.2. Các giai đoạn của quá trình xúc tác dị thể.
 Quá trình xúc tác dị thể có thể được chia thành ba giai đoạn sau:
 - Giai đoạn khuếch tán: Diễn ra sự thay đổi nồng độ các chất hợp phần 
trên bề mặt chất xúc tác do sự xâm nhập các chất bị hấp phụ trên bề mặt hoặc 
vào mạng lưới tinh thể chất xúc tác.
 - Giai đoạn hấp phụ và giải hấp: Nồng độ các hập phần thay đổi do sự 
chuyển chất từ pha khí (hoặc lỏng) lên bề mặt chất xúc tác và ngược lại, đồng 
thời kèm theo sự hình thành hoặc sự phân hủy các hợp chất bề mặt. Đó là quá 
trình chuyển chất phản ứng vào trạng thái hoạt động. Quá trình hấp phụ có hai 
 Sau khi đi qua hành rào thế năng, bề mặt chất xúc tác có các sản phẩm 
hấp bị phụ.
 Đồ thị so sánh mặt cắt ngang của phản ứng đồng thể không xúc tác 
 và dị thể xúc tác. 
 1) Chất ban đầu; 2) Phức chất hoạt động đồng thể; 3) Phức chất hoạt 
 động hấp phụ; 4) Các chất đầu bị hấp phụ; 5) Các sản phẩm phản ứng 
 bị hấp phụ; 6) Các sản phẩm mới.
 Thí dụ: Đối với phản ứng phân hủy axit foormic
 HCOOH CO + H2O 
 Năng lượng 2
 (E)
 3
 1
 4
 6
 5
 Diễn biến phản ứng
 Ở 2000C ta có năng lượng hoạt động hóa và tốc độ phản ứng như sau:
 Chất xúc tác E hoạt động hóa (cal/mol) Tốc độ tương đối
 Thủy tinh 24,500 1
 Au 23,500 40
 Ag 31,000 40
 Pt 22,000 2000
 Rh 25,000 10000
 Từ số liệu này ta thấy, khi năng lượng hoạt động hóa thay đổi rất ít và 
thực tế có thể nhận là một đại lượng trung bình nào đó thì tốc độ quá trình đối 
với những bề mặt như nhau của các chất xúc tác thay đổi đến 10 lần. Sự khác 
nhau đó có thể do hằng số tác dụng. Giải thích sự khác nhau đó có thể xuất phát 
từ giả thiết cho rằng không phải toàn bộ bề mặt chất xúc tác là hoạt động mà 
chỉ có từng phần riêng rẽ gọi là các trung tâm hoạt động mà thôi. Số lượng 
 Cơ chế xyclỏpopan giải thích được sự tạo thành iso-parafin và iso-
anken.
 Cách 1 CH3-CH2-CH2-CH3 Cách 2
 +
 A(H ) -H2 Trung tâm axít M -H2
 A(H+)
 +
 CH3-C H-CH2-CH3 CH3-CH=CH-CH3
 +
 A(H ) -H2 
 CH2
 + +
 CH3-CH=CH-CH3 H CH3-CH- C H2
 CH3-CH------CH2 
 CH3
 M, +H2
 CH -CH- CH CH - C+- CH
 3 2 -H + 3 3
  
 CH3 CH3
 +
 A(H ) -H2 
 CH3- CH=CH2
 
 CH3
 - Izome hóa hydrocacbon thơm:
 Vai trò của xúc tác rắn rất quan trọng trong quá trình izome hóa 
hydrocacbon thơm, nó liên quan đến kích thước động học phân tử và kích 
thước lỗ xốp của xúc tác (zeolit).
 Trong quá trình izome hóa thường xảy ra các phản ứng sau:
 + Đồng phân hóa:
 Thí dụ: Đồng phân hóa 1,3-Dimetylbenzen thành 1,2-Dimetylbenzen và 
1,4-Dimetylbenzen. Trong phản ứng này, tốc độ hai đồng phân như nhau.
 CH3
 CH3
 CH3
 CH3
 CH3
 CH3
 Cơ chế phản ứng diễn ra như sau: