Giáo trình Kỹ thuật xúc tác
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.
2
Ví dụ: rượu isopropyl có thể chuyển hóa thành aceton và hydro, hoặc thành propylen và
nước
CH3COCH3 + H2
C3H6 + H2O
(1)
(2)
C3H7OH
* Nếu xúc tác là ZnO:
* Nếu xúc tác là Al2O3:
phản ứng xảy ra chủ yếu theo hướng (1)
phản ứng xảy ra chủ yếu theo hướng (2)
Thông thường chất xúc tác chỉ làm nhiệm vụ cho một phản ứng; đặc biệt xúc tác men chỉ
làm xúc tác cho một hay vài giai đoạn trong một phản ứng; nhưng cũng có những loại xúc tác có
hoạt tính cho một vài nhóm phản ứng; chẳng hạn như xúc tác axit làm xúc tác cho các phản ứng
cracking, isome hóa, thuỷ phân, đề hydrat, alkyl hóa...
Xúc tác được sử dụng ở nhiều dạng khác nhau, có thể là một hỗn hợp phức tạp gồm nhiều
oxyt như zeolit, đất sét, aluminosilicat ...; hoặc là một chất tinh khiết như xúc tác kim loại Ag,
Cu, Pt...; hoặc là một hợp chất đơn giản như các oxyt, sulfur...; hoặc dưới dạng một hợp chất
phức tạp như xúc tác men.
Vì có rất nhiều ưu việt nên hiện nay trong kỹ thuật hóa học, đặc biệt là trong lĩnh vực lọc
hóa dầu và ngành tổng hợp hữu cơ, hầu hết các phản ứng đều dùng xúc tác. Hiện nay tất cả các
nhà máy lọc hóa dầu hiện đại đều dùng phương pháp cracking xúc tác, reforming xúc tác,... thay
cho các quá trình cracking nhiệt, reforming nhiệt trước đây.
Để hỗ trợ đắc lực cho việc tìm loại xúc tác mới, các nhà nghiên cứu đã kết hợp các
phương pháp vật lý cùng với phương pháp động học. Vậy nhiệm vụ của động học là nhiên cứu
tốc độ của phản ứng hóa học, các yếu tố có ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng như nồng độ chất
phản ứng, nhiệt độ, áp suất ... và cả cơ chế phản ứng khi có sự tham gia của xúc tác.
Để giải thích các hiện tượng xúc tác, thì còn có nhiều điều chưa hiểu rõ nhưng người ta
đã xác định được những nét chủ yếu của hiện tượng. Xúc tác có vai trò lớn trong hóa học. Sự
xâm nhập sâu sắc vào bản chất của xúc tác, sự sáng tạo những cơ sở lý thuyết, cho phép tiên
đoán chất xúc tác này hay chất xúc tác khác lên các quá trình hóa học cho trước, sẽ trao cho con
người công cụ để làm giàu thêm cơ sở vật chất cho nhân loại ngày càng tốt hơn.
3
CHƯƠNG I: PHẢN ỨNG XÚC TÁC ĐỒNG THỂ
I. Khái niệm
• Xúc tác đồng thể là chất xúc tác cùng pha với các chất tham gia phản ứng
• Phản ứng xúc tác đồng thể chỉ xảy ra trong pha khí và pha lỏng; không có xúc tác đồng thể
trong pha rắn.
Ví dụ:
1) Pha khí: phản ứng oxy hóa SO2 bằng xúc tác NO tạo thành SO2 để sản xuất axit sulfuric
NO
công nghiệp
SO2 + O2
SO3 → H2SO4
Phản ứng xảy ra qua các giai đoạn sau:
O2 + 2 NO → 2 NO2
2 SO2 + 2 NO2 → 2 SO3 + 2 NO
2 SO2 + O2 → 2 SO3
Trong đó: NO2 là hợp chất trung gian
2) Pha lỏng: phản ứng xúc tác đồng thể trong pha lỏng phần lớn là phản ứng xúc tác axit -
bazơ. Ví dụ phản ứng oxy hóa ion thiosulfat bằng H2O2 với ion I- làm xúc tác.
2-
I-
2-
2 S2O3 + H2O2 + 2 H+
S4O6 + 2 H2O
Phản ứng xảy ra qua 3 giai đoạn như sau:
H2O2 + I- → IO- + H2O
I- + IO- + 2 H+ → I2 + H2O
2-
2-
I2 + 2 S2O3 → S4O6 + 2 I-
2-
2-
2 S2O3 + H2O2 + 2H+ → S4O6 + 2 H2O
Trong đó: IO- và I2 là các hợp chất trung gian
• Phản ứng xúc tác đồng thể tự xúc tác : thông thường là các phản ứng xảy ra trong môi
trường H+
Ví dụ:
1) Phản ứng có sinh ra chất xúc tác: Phản ứng thủy phân este trong môi trường axit
H+
CH3COOC2H5 + H2O
CH3COOH + C2H5OH
Giai đoạn đầu cần thêm axit để xúc tác nhưng sau đó nhờ a. acetic sinh ra làm xúc tác
4
2) Phản ứng tự xúc tác với chất phản ứng đóng vai trò xúc tác: phản ứng este hóa
H+
C6H5COOH + C2H5OH
C6H5COOC2H5 + H2O
Chất xúc tác cho phản ứng này là ion H+ nhưng ở đây môi chất đầu là axit nên nó đồng
thời đóng vai trò là chất xúc tác.
II. Thuyết xúc tác đồng thể của Spitalski - Kodozeb
Năm 1926, Spitalski đã đưa ra thuyết xúc tác đồng thể như sau:
1) Tồn tại giai đoạn tạo thành HCTG giữa chất xúc tác và chất phản ứng
Ví dụ: Phản ứng oxy hóa H3PO3 thành a. H3PO4 với tác nhân oxy hóa là K2S2O8 trên xúc
tác HI.
HI
H3PO3 + K2S2O8 + H2O
H3PO4 + K2SO4 + H2SO4
Theo dõi quá trình thấy xuất hiện màu tím và khi quá trình kết thúc thì mất màu
tím. Màu tím này chính là do sự hình thành HCTG I2.
K2S2O8 + 2 HI
I2 + K2SO4 + H2SO4
H3PO4 + 2 HI
H3PO3 + I2 + H2O
2) Quá trình hình thành sản phẩm trung gian là thuận nghịch và xảy ra với vận tốc khá
nhanh vì khi ấy có tác dụng của chất xúc tác, và vận tốc này không phụ thuộc vào bản
chất của HCTG.
3) HCTG hoạt động kém bền sẽ phân huỷ tương đối chậm cho sản phẩm phản ứng và giải
phóng chất xúc tác.
Vận tốc chung của quá trình chủ yếu phụ thuộc vào vận tốc phân huỷ HCTG :
vc = f (vphân huỷ HCTG
)
4) Sự tạo thành HCTG là do sự kết hợp giữa phân tử chất phản ứng hoặc nhóm hoạt động
của phân tử chất phản ứng với nhóm hoạt động của phân tử chất xúc tác.
5) Phản ứng xúc tác tạo nhiều HCTG có độ hoạt động khác nhau và sự phân huỷ các HCTG
diễn ra khác nhau.
Ví dụ: Phản ứng phân huỷ H2O2
5
Xúc tác
HCTG
Hợp chất hoạt động Hợp chất ít hoạt động
2-
2-
2-
2-
MoO4
MoO8
MoO6
MoO5
↓ hoạt động trung bình
2-
2-
2-
WO4
WO8
WO5
6) Phản ứng xúc tác đồng thể khi có mặt của xúc tác sẽ làm giảm năng lượng hoạt hóa của
phản ứng nên làm tăng giá trị hằng số vận tốc k và dẫn đến làm tăng vận tốc phản ứng ở
cùng điều kiện (so với khi không có mặt xúc tác)
Phản ứng:
E
X
A + B
C
k1
B
A + X
[AX]
[ABX]
C + X
k2
Eo: năng lượng của hỗn hợp A + B
E1: năng lượng của sản phẩm C
Đường (1): phản ứng không xúc tác
(2): phản ứng có xúc tác
∆EI: năng lượng hoạt hóa cho phản ứng không
xúc tác
∆EII: năng lượng hoạt hóa cho phản ứng xúc tác
∆EII = ∆E1 (nếu ∆E1 > ∆E2)
∆E2 (nếu ∆E2 > ∆E1)
∆EI
1
EO
E1
2
∆E1
∆E2
chiều phản ứng
Đối với phản ứng không xúc tác, phương trình Arrhenius có dạng:
kkxt = z1. e- ∆E /RT
I
Đối với phản ứng có xúc tác, phương trình Arrhenius có dạng:
kxt = z2. e- ∆E /RT
II
trong đó: kkxt , kxt : hằng số tốc độ của phản ứng không xúc tác và có xúc tác
Nếu z1 ≈ z2 ta có:
kxt
kkxt
= e∆E/RT
với ∆E = ∆EI - ∆EII
6
Năng lượng hoạt hóa của phản ứng có xúc tác giảm so với phản ứng không xúc tác
khoảng 10000 cal/ mol hoặc có thể lớn hơn.
Nếu phản ứng xảy ra ở 300K thì khi thay gía trị bằng số ta được:
e
∆E/RT = e10 000/ 1,987. 300 ≈ 2,0. 108
Tức là phản ứng xúc tác xảy ra nhanh hơn phản ứng không xúc tác hàng trăm triệu lần.
7) Một vài ví dụ để tính phương trình động học của phản ứng
1/ Phản ứng có dạng:
X
n A
C
Quá trình phản ứng:
n A + X
k1
k2
k3
Z : HCTG
C + X
Tính vận tốc chung của phản ứng vc: Vì vc chủ yếu phụ thuộc vào phản ứng phân huỷ
HCTG nên ta có:
vc = k3. Cz
(1)
trong đó Cz: nồng độ của HCTG được tính thông qua hằng số cân bằng của phản ứng tạo
thành HCTG là K
CZ
CA . CX cân bằng
CZ
CA . (CX o- CZ)
K =
n
n
(2)
(CX o : nồng độ ban đầu của chất xúc tác )
Từ (2):
Từ (1):
n
n
K. CA . CXo - K. CA . CZ = CZ
n
K. CAn. CXo
CZ =
K. CA + 1
n
K. CAn. CXo
vc = k3
K. CA + 1
Xét 2 trường hợp:
*1. K rất lớn: tức là phản ứng mau đạt tới cân bằng
n
n
n
Khi đó: K. CA >> 1 ⇒ K. CA + 1 ≈ K. CA
7
K.C An .C X
K.C An
o
v = k
= k3 .C
⇒
c
3
X o
⇒ vc = f(CXo)
Nhận xét: tốc độ phản ứng chung không phụ thuộc nồng độ chất phản ứng mà chỉ phụ
thuộc nồng độ của xúc tác trong trường hợp phản ứng xảy ra theo chiều hình thành một lượng
lớn HCTG.
*2. K rất nhỏ: tức là phản ứng lâu đạt tới cân bằng
n
n
Khi đó: K. CA << 1 ⇒ K. CA + 1 ≈ 1
n
⇒
⇒
vc = k3. K. CA . CXo
vc = f(CA, CXo)
Nhận xét: tốc độ phản ứng chung không những phụ thuộc nồng độ chất phản ứng mà còn
phụ thuộc nồng độ của xúc tác trong trường hợp phản ứng xảy ra theo chiều hình thành ít
HCTG.
2/ Phản ứng trong môi trường H+:
k1
k2
k3
n A + X + H+
Z : HCTG
C + X + H+
Phương trình động học của phản ứng:
vc = k3. CZ
Hằng số cân bằng của giai đoạn hình thành HCTG:
CZ
CZ
CA . CH+ . (CX o- CZ)
n
n
CA . CX . CH+
n
n
K. CA . CH+. CXo - K. CA . CH+. CZ = CZ
n
K. CAn. CH+. CXo
CZ =
K. CA . CH+ + 1
n
K. CAn. CH+. CXo
vc = k3
⇒
K. CA . CH+ + 1
Xét 2 trường hợp:
*1. K rất lớn: tức là phản ứng mau đạt tới cân bằng
n
n
n
Khi đó: K. CA . CH+ >> 1 ⇒ K. CA . CH+ + 1 ≈ K. CA . CH+
8
n
K. CA . CH+. CXo
K. CA . CH+
vc = k3
= k3. CXo
⇒
⇒
n
vc = f(CXo)
Nhận xét: tốc độ phản ứng chung không phụ thuộc môi trường, không phụ thuộc nồng độ
chất phản ứng mà chỉ phụ thuộc nồng độ của xúc tác trong trường hợp phản ứng xảy ra theo
chiều hình thành một lượng lớn HCTG.
*2. K rất nhỏ: tức là phản ứng lâu đạt tới cân bằng
n
n
Khi đó: K. CA . CH+ << 1 ⇒ K. CA . CH+ + 1 ≈ 1
n
⇒
⇒
vc = k3. K. CA . CH+. CXo
vc = f(CA. CXo. CH+)
Nhận xét: tốc độ phản ứng chung không những phụ thuộc nồng độ chất phản ứng, nồng
độ của chất xúc tác mà còn phụ thuộc nồng độ của môi trường và môi trường giúp phản ứng xảy
ra nhanh hơn.
III. Phản ứng xúc tác đồng thể với xúc tác axit - bazơ
Xúc tác axit - bazơ thường được nghiên cứu trong pha lỏng và chiếm 90% xúc tác đồng
thể.
Theo thuyết cổ điển về xúc tác axit - bazơ thì chất làm xúc tác hiệu ứng duy nhất là
proton (H+) và hydroxyl (OH-). Vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của các ion này trong
môi trường phản ứng.
Nhưng hiện nay có nhiều loại phản ứng không có các ion này nhưng vẫn tiến hành theo
cơ chế xúc tác axit - bazơ. Như vậy khái niệm cổ điển về axit - bazơ không đủ để giải thích các
quá trình xúc tác loại này.
Để hiểu rõ được cơ cấu loại phản ứng này cần tìm hiểu các định nghĩa về axit - bazơ.
1/ Định nghĩa cổ điển
Axit là chất có khả năng phân ly cho proton và khi kết hợp với bazơ tạo ra muối và nước.
Số proton có khả năng phản ứng xác định số chức axit.
Bazơ là chất có khả năng phân ly cho hydroxyl và khi kết hợp với axit tạo ra muối và
nước. Số ion OH- có khả năng phản ứng xác định số chức bazơ.
9
Định nghĩa trên đây rất hạn chế, nó chỉ giải thích một số trường hợp axit hoặc bazơ điện
phân mạnh.
2/ Định nghĩa Bronsted - Loiry
Axit là chất có khả năng cho proton H+ và bazơ là chất có khả năng nhận proton đó.
Ví dụ:
Axit
H3O+
Bazơ
H2O
H2O
OH-
CH3COOH
CH3COO-
NH3
+
NH4
-
H2SO4
HSO4
-
2-
HSO4
SO4
2-
3-
HPO4
PO4
Qua đây nhận thấy một chất có thể vừa là axit vừa là bazơ.
Ví dụ như H2O: đối với H3O+ thì nó là bazơ nhưng đối với OH- thì nó là axit
Như vậy trong quá trình vận chuyển proton bao giờ cũng tồn tại axit và bazơ, chúng liên
hệ với nhau thành những hệ nhất định và gọi là cặp axit - bazơ Bronsted - Loiry.
3/ Định nghĩa Lewis
Bazơ là chất có cặp điện tử tự do có khả năng chuyển vào vòng điện tử của chất khác để
tạo thành một mối nối liên kết. Còn axit là chất có khả năng nhận cặp điện tử đó vào vỏ điện tử
của mình.
Khái niệm axit - bazơ tổng quát của Lewis đã giải thích những quá trình thực tế không
tồn tại proton hoặc hydroxyl song cơ chế phản ứng thuộc loại axit - bazơ.
Ví dụ:
H3N + BF3
F3BNH3
Ở đây cặp điện tử tự do của Nitơ được đem ra góp chung với BF3 tạo thành liên kết cho
nhận điện tử, Cơ chế phản ứng như sau:
10
H
H : N :
H
F
B : F
F
: N
B :
Cặp điện tử tự do này có thể chạy qua chạy lại giữa N và B và gọi là mối nối cho nhận
điện tử, hay mối nối acepto - dono. Khi tăng năng lượng hoạt hóa mối nối này trở nên hoạt động
mạnh hơn ban đầu.
Như vậy: BF3 là chất axit, NH3 là chất bazơ.
Hiện nay định nghĩa Lewis cũng được áp dụng để giải thích hiện tượng xúc tác trong xúc
tác dị thể.
4/ Bản chất hóa học của phản ứng xúc tác axit - bazơ
Ta xét trường hợp chất xúc tác là axit phân ly cho proton H+, còn xúc tác là bazơ sẽ phân
ly cho ion OH-.
H+ và OH- có trường tĩnh điện mạnh, thu hút các chất phản ứng xung quanh và phân cực
trái dấu, làm cho các ion của các chất phản ứng xích lại gần nhau và làm tăng khả năng phản
+
-
-
+
+
-
ứng.
+
+
-
-
+
+
-
-
⎯
+
+
+
-
-
+
+
-
-
+
-
Như vậy các ion H+ và OH- đều có tác dụng làm tăng vận tốc phản ứng và trực tiếp tham
gia vào phản ứng tạo thành các HCTG.
Để xét động học của phản ứng ta tượng trưng: - lực axit là [H3O+]
- lực bazơ là [OH-]
Ví dụ:
Bởi vì một chất axit bao giờ cũng có một số tính chất bazơ và ngược lại một chất bazơ
bao giờ cũng có tính axit.
Khi xúc tác thể hiện tính axit, ta có:
S + HA
SH+ + A-
vH+= kH+ .[S].[H3O+]
vOH-= k OH- .[S].[ OH-]
vo = ko .[S]
Khi xúc tác thể hiện tính bazơ, ta có:
Bên cạnh đó có những phản ứng không cần xúc tác , ta có:
11
Khi đó vận tốc chung của quá trình:
vc = vH+ + vOH- + vo
= kH+ .[S].[H3O+] + k OH- .[S].[ OH-] + ko .[S]
= [S] . (kH+ .[H3O+] + k OH- .[ OH-] + ko) = k . [S]
với k = kH+ .[H3O+] + k OH- .[ OH-] + ko : còn gọi là hằng số vận tốc chung
(3)
(2)
(1)
Gọi các thành phần trên là (1), (2) và (3)
Phân tích tính gần đúng:
• Trường hợp xúc tác là axit mạnh: thành phần (1) >> (2), (3) ⇒ có thể bỏ qua (2), (3)
Khi đó:
k = kH+ . [H3O+]
⇒
log k = lg kH+ + lg[H3O+]
Nếu axit cho sẵn, biết được: lg kH+ = const = A
log k = A - pHmt
⇒
• Trường hợp xúc tác là bazơ mạnh: thành phần (2) >> (1), (3) ⇒ có thể bỏ qua (1), (3)
Khi đó: (*)
k = kOH- . [OH-]
Biết rằng phản ứng phân ly : 2 H2O ↔ [H3O+] + [OH-] xảy ra với vận tốc nhanh nên
có hằng số cân bằng KD.
[H3O+]. [OH-]
[H2O]2
KD =
KD
[H3O+]
[OH-]=
KD = [H3O+]. [OH-]
Vì [H2O] = 1 ⇒
Thay vào (*):
⇒
KD
[H3O+]
k = kOH-
.
lg k = lg kOH- + lg KD - lg[H3O+]
lg k = B + pHmt
Đặt B = lg kOH- + lg KD = const ⇒
Tóm lại: sự phụ thuộc hằng số tốc độ bởi độ pH của môi trường được thể hiện trên sơ đồ
hình 1.
ꢀĐối với loại phản ứng xúc tác axit - bazơ không có ion proton và hydroxyl thì
phương trình hàng số vận tốc chung được thay bằng phương trình chung hơn:
12
k = ko + Σ ki [AiH] + Σ kj [Bj]
tức là có mặt nồng độ của tất cả các chất tham gia phản ứng.
lg k
Hình 1: Sự phụ thuộc lg k bởi pH
a_a’ : xúc tác là axit
b_b’ : xúc tác là bazơ
c_c’ : giai đoạn 1: xúc tác là axit
k'
d'
b'
giai đoạn 2: xúc tác là bazơ
d_d’ : giai đoạn 1: không xúc tác
giai đoạn 2: xúc tác là bazơ
e_e’ : giai đoạn 1: xúc tác là axit
giai đoạn 2: không xúc tác
h_h’ : giai đoạn 1: xúc tác là axit
giai đoạn 2: không xúc tác
giai đoạn 3: xúc tác là bazơ
k_k’ : không xúc tác
c'
h'
e'
a'
pH
IV. Động học của phản ứng xúc tác axit - bazơ
Nhiệm vụ của động học:
• Giả thiết một cơ chế phản ứng
• Từ đó tìm ra phương trình động học
Nếu phương trình động học phù hợp với thực tế thì cơ chế đã giả thiết là cơ chế đúng và
từ cơ chế này tìm ra xúc tác mới.
Nếu phương trình động học không phù hợp thì phải giả thiết một cơ chế mới và tìm
phương trình động học khác.
1/ Xúc tác là axit
AH
Phản ứng:
S1 + S2
P1 + P2
Giả thiết cơ chế phản ứng chia làm các giai đoạn:
S1H+ + A-
(1)
k1
S1 + AH
S1H+ + S2
P2H+ + A-
P2H+ + H2O
H3O+ + A-
P1 + P2H+
P2 + AH
(2)
(3)
(4)
(5)
k2
k3
k4
k5
P2 + H3O+
HA + H2O
Hay là:
13
Cơ chế phản ứng là : (1), (2), (3)
hoặc là : (1), (2), (4), (5)
Giai đoạn (3) và (4), (5) là những giai đoạn hoàn nguyên xúc tác theo hai cơ chế khác
nhau.
Vận tốc chung của phản ứng là vận tốc của giai đoạn chậm nhất.
Giả thiết các trường hợp sau:
• Trường hợp I: giai đoạn (1) chậm, giai đoạn (2), (3) nhanh
Khi đó:
vc = v1 = k1 . [S1].[AH]
vc = f([AH])
Nhận xét: nếu tăng nồng độ xúc tác thì tăng vận tốc phản ứng
• Trường hợp II: giai đoạn (2) chậm, giai đoạn (1), (3) nhanh
Khi đó:
Nhờ giai đoạn (1) nhanh nên ta có hằng số cân bằng của giai đoạn (1) như sau:
vc = v2 = k2 . [S2].[S1H+]
[
S1H +
]
.
[
A−
]
S1
]
.
AH
]
KI =
S1H +
]
= KI
[
S1
]
.
[
AH
]
[
A−
]
Tìm [A-]: từ điều kiện cân bằng giai đoạn proton hóa xúc tác với dung môi (H2O) của
axit. Ta có:
Hằng số cân bằng Ka:
AH + H2O
A- + H3O+
[
H3O+
]
.
[
A−
]
]
AH
Ka =
A−
]
= Ka
[
AH
]
[
H3O+
]
KI
Ka
[
S1
]
.
[
AH
]
KI
Ka
[
S1H +
]
=
.
=
.
[
S1
]
.
H3O+
]
[
AH
]
[
H3O+
]
KI
vc = k2.
[
S1
]
.
[
S2
]
.
[
H3O+
]
Ka
Nhận xét: vc tỷ lệ với lực axit, nếu muốn tăng vận tốc phản ứng thì phải dùng xúc tác có
lực axit mạnh
• Trường hợp III: giai đoạn (3) chậm, giai đoạn (1), (2) nhanh
14
Khi đó:
Nhờ giai đoạn (2) nhanh nên ta có hằng số cân bằng của giai đoạn (2) như sau:
vc = v3 = k3 . [P2H+].[A-]
[
P H +
]
.
[
P
]
]
S1H +
]
.
[ ]
S2
P H +
]
= KII
2
1
KII =
[
2
[
S1H +
]
.
[
S2
[
P
]
1
Thay [S1H+] ở giả thiết II vào:
[
S1
]
.
[
AH
]
S2
] [
S1
]
.
[
AH
]
[
S1H +
]
= KI
P H +
]
= KII
.KI .
2
[
A−
]
[
P
]
[
A−
]
1
[
S1
]
.
[
S2
]
.
AH
]
vc = k3.KI .KII .
P
[ ]
1
[
AH
]
1
⎛
⎜
⎝
⎞
⎠
v = f
⎟
c
[ ]
P
Nhận xét: vc phụ thuộc nồng độ của xúc tác axit và nồng độ sản phẩm tạo thành, tuy
nhiên sự có mặt của sản phẩm làm giảm vận tốc phản ứng.
• Trường hợp IV: giai đoạn (4) chậm, giai đoạn (1), (2) và (5) nhanh
Giai đoạn (5) không chậm vì là phản ứng trung hòa.
Khi đó:
vc = v4 = k4 . [P2H+]
S1H +
]
.
S2
]
]
Thay [P2H+] ở giả thiết III:
[
P H +
]
]
= KII .
2
[
P
]
1
KI
Thay [S1H+] ở giả thiết II vào:
S1H +
=
.
[
S1
]
.
H3O+
Ka
KI .KII
[
S1
]
.
[
S2
]
[
P H +
]
=
.
.
H3O+
]
2
Ka
[
P
]
1
+
KI .KII
[
S1
]
.
[
S2
]
⎛
⎜
⎝
⎞
⎠
H3O
]
vc = k4.
.
.
H3O+
]
v = f
⎟
1
c
[ ]
P
Ka
[
P
]
1
Nhận xét: vc phụ thuộc vào lực axit của xúc tác axit và nồng độ sản phẩm tạo thành, tuy
nhiên sự có mặt của sản phẩm làm giảm vận tốc phản ứng.
2/ Xúc tác là bazơ:
Phản ứng:
B
S1H + S2
P1 + P2H
15
Giả thiết cơ chế phản ứng chia làm các giai đoạn:
-
S1 + BH+
(1)
k1
S1H + B
-
-
k2
k3
k4
k5
S1 + S2
P1 + P2
(2)
(3)
(4)
(5)
-
P2 + BH+
P2H + B
-
P2H + OH-
Hay là:
P2 + H2O
OH- + BH+
B + H2O
Cơ chế phản ứng là : (1), (2), (3)
hoặc là : (1), (2), (4), (5)
Giả thiết các trường hợp sau:
• Trường hợp I: giai đoạn (1) chậm, giai đoạn (2), (3) nhanh
Khi đó:
vc = v1 = k1 . [S1H].[B]
vc = f([B])
Nhận xét: nếu tăng nồng độ xúc tác bazơ thì tăng vận tốc phản ứng
• Trường hợp II: giai đoạn (2) chậm, giai đoạn (1), (3) nhanh
-
Khi đó:
vc = v2 = k2 . [S2].[S1 ]
Nhờ giai đoạn (1) nhanh nên ta có hằng số cân bằng của giai đoạn (1) như sau:
−
S1
.
[
BH +
]
S1H
]
.
B
]
−
KI =
S1
]
= KI .
[
S1H
]
.
[
B
]
[
BH +
]
Tìm [BH+]: từ điều kiện cân bằng giai đoạn proton hóa xúc tác với dung môi (H2O) của
bazơ. Ta có:
Hằng số cân bằng:
B + H2O
BH+ + OH-
[
BH +
]
.
[
OH −
]
[ ]
B
Kb =
BH +
]
= Kb.
[
B
]
[
OH −
]
KI
Kb
[
S1H
]
.
[
B
]
KI
Kb
−
[
S1
]
=
.
=
S1H +
]
.
OH −
]
[ ]
B
−
[
]
OH
KI
vc = k2.
[
. S1H
]
.
[
S2
]
.
[
OH −
]
vc = f
OH −
Kb
16
Nhận xét: vc tỷ lệ với lực bazơ, nếu muốn tăng vận tốc phản ứng thì phải dùng xúc tác có
lực bazơ mạnh
• Trường hợp III: giai đoạn (3) chậm, giai đoạn (1), (2) nhanh
-
Khi đó:
vc = v3 = k3 . [P2 ].[BH+]
Nhờ giai đoạn (2) nhanh nên ta có hằng số cân bằng của giai đoạn (2) như sau:
−
−
[ ]
S1
.
S2
]
P . P
KII =
P −
]
= KII .
2
1
[
2
−
[
P
]
[
S1
]
.
[
S2
]
1
-
Thay [S1 ] ở giả thiết II vào:
[
S1H
]
.
[
B
]
S2
]
]
S1H
]
.
[
B
]
−
[
S1
]
= KI .
P −
]
= KII .
.KI .
2
[
BH +
]
[
P
[
BH +
]
1
[
S1H
]
.
[
S2
]
.
[ ]
B
B
[ ]
⎛
⎜
⎝
⎞
⎠
vc = k3.KI .KII .
v = f
⎟
c
[ ]
P
[
P
]
1
1
Nhận xét: vc phụ thuộc nồng độ của xúc tác bazơ và nồng độ sản phẩm tạo thành, tuy
nhiên sự có mặt của sản phẩm làm giảm vận tốc phản ứng.
• Trường hợp IV: giai đoạn (4) chậm, giai đoạn (1), (2) và (5) nhanh
Giai đoạn (5) không chậm vì là phản ứng trung hòa.
-
Khi đó:
vc = v4 = k4 . [P2 ]
−
S1
.
S2
]
-
Thay [P2 ] ở giả thiết III:
[
P −
]
]
= KII .
2
[
P
]
1
KI
−
-
Thay [S1 ] ở giả thiết II vào:
S1
=
.
[
S1H
]
.
OH −
]
Kb
KI .KII
[
S1H
]
.
[
S2
]
[
P −
]
=
.
.
OH −
]
2
Kb
P
[ ]
1
−
KI .KII
[
S1H
]
.
S2
]
⎛
⎜
⎝
⎞
OH −
]
v = f
OH
]
P
1
vc = k4.
.
.
⎟
c
[ ]
⎠
Kb
[
P
]
1
Nhận xét: vc phụ thuộc vào lực bazơ của xúc tác bazơ và nồng độ sản phẩm tạo thành, tuy
nhiên sự có mặt sản phẩm làm giảm vận tốc phản ứng.
V. Phản ứng xúc tác axit - bazơ trong môi trường không nước
17
Đây là trường hợp khá phổ biến trong loại phản ứng xúc tác axit - bazơ, nếu phản ứng có
nước thì sản phẩm sẽ bị phân huỷ ngay. Ví dụ phản ứng sản xuất xúc tác BF3 cho tổng hợp
polyme hay sản xuất một số hợp chất kỵ nước khác.
a) Với dung môi sinh ra proton, hydroxyl, sự phân ly theo cơ cấu sau:
2 HB ' H2B+ + B-
Trong môi trường kỵ nước:
H2B+ gọi là lion
B- gọi là liat
• Môi trường kỵ nước có thể là các dung môi như amin, BTX (Benzen – Toluen – Xylen),
cloroform, rượu (bậc 1, 2, 3), axit acetic... Trong các dung môi đó thể hiện tính chất vừa
theo những quy tắc chung của xúc tác axit - bazơ; vừa có những tính chất riêng biệt của
các ion lion H2B+, liat B-.
• Đối với những phản ứng trong các dung môi này thì có thể áp dụng các phương trình
động học đã tính ở trên, nhưng cần thiết phải thay:
o Nồng độ [H3O+] và [OH-] bằng nồng độ lion và liat
o Hoạt tính của nước bằng hoạt tính của dung môi
o Phương trình proton hóa với nước thay bằng phương trình proton hóa với dung
môi
• Một điều chú ý rằng lực axit trong các dung môi khác nhau như nước, rượu, amin, axit
acetic... thì gần bằng nhau. Vì vậy để thể hiện lực axit có thể dùng các số liệu đo trong
môi trường nước.
b) Với dung môi không sinh ra proton, hydroxyl thì phức tạp hơn, phương trình động học
phải tính toán khác:
AH
S1 + S2
P1 + P2
Phản ứng:
Giả thiết cơ chế phản ứng:
k1
S1 + AH
S1H+ + A-
(1)
k2
k3
S1H+ + S2
P2H+ + A-
P1 + P2H+
P2 + AH
(2)
(3)
Giả thiết các trường hợp sau:
18
• Trường hợp I: giai đoạn (1) chậm, giai đoạn (2), (3) nhanh
Khi đó:
vc = v1 = k1 . [S1].[AH]
vc = f([AH])
Nhận xét: nếu tăng nồng độ xúc tác thì tăng vận tốc phản ứng
• Trường hợp II: giai đoạn (2) chậm, giai đoạn (1), (3) nhanh
Khi đó:
Nhờ giai đoạn (1) nhanh nên ta có hằng số cân bằng của giai đoạn (1) như sau:
vc = v2 = k2 . [S2].[S1H+]
S1H +
]
.
A−
]
KI =
[
S1
]
.
[
AH
]
Tìm [A-]:
* Đầu tiên ở thời điểm τ = 0: phản ứng chưa xảy ra
{Ngược lại trong môi trường nước, cho dù phản ứng chưa xảy ra, axit luôn tác dụng với
môi trường theo phản ứng:
[A-] = 0
nên [A-]τ = 0 ≠ 0 }
A- + H3O+
[A-] = [S1H+]
AH + H2O
* Ở thời điểm τ = 1, 2, 3...:
[
S1H+
]
= KI .
[
S1
]
.
AH
]
0,5
0,5
0,5
vc = k2.KI
.
[
S1
]
.
S2
]
.
AH
]
vc = f
(
[
AH
]
)
Nhận xét: vc phụ thuộc nồng độ của xúc tác axit nhưng theo lũy thừa 0,5 nên nồng độ của
xúc tác không ảnh hưởng nhiều đến vc như trong môi trường nước.
• Trường hợp III: giai đoạn (3) chậm, giai đoạn (1), (2) nhanh
Khi đó:
Nhờ giai đoạn (2) nhanh nên ta có hằng số cân bằng của giai đoạn (2) như sau:
vc = v3 = k3 . [P2H+].[A-]
[
P H +
]
.
[
P
]
]
S1H +
]
.
[ ]
S2
P H +
]
= KII .
2
1
KII =
[
2
[
S1H +
]
.
[
S2
[
P
]
1
Thay [S1H+] ở giả thiết II vào:
S1H +
]
=
A−
]
= KI . S1
]
.
AH
]
19
AH
]
AH
]
1
⎛
⎜
⎝
⎞
⎠
vc = k3.KI .KII .
[
S1
]
.
[
S2
]
.
v = f
⎟
c
[ ]
P
[
P
]
1
Nhận xét: vc phụ thuộc nồng độ của xúc tác axit và nồng độ sản phẩm tạo thành, tuy
nhiên sự có mặt của sản phẩm làm giảm vận tốc phản ứng.
VI. Phản ứng xúc tác axit - bazơ với axit Lewis
1/ Quan điểm của Lewis:
Theo Lewis, axit - bazơ có những tính chất sau:
1. Axit Lewis cũng bị trung hòa nhưng có chọn lọc tức khi là một cặp axit - bazơ nhất
định.
H3O+ + : OH
H2O + H : OH
Ví dụ: 1/
H
H3O+ + : N : H
H
H
H2O + H : N : H :
H
2/
đây là nguyên tử H linh động
- phản ứng (1): trung hòa proton bằng cặp điện tử không tách của Oxy
- phản ứng (2): trung hòa proton bằng cặp điện tử không tách của Nitơ
Tuy nhiên cặp điện tử không tách ngoài khả năng tác dụng với proton còn có thể tác dụng
với các phân tử khác.
Ví dụ: cặp điện tử không tách của amin có thể tác dụng với phân tử không chứa Hydro
như phân tử BF3.
R
F
R F
R : N : B : F
R F
R : N : + B : F
R
F
Như vậy các chất có cặp điện tử tự do không tách có khả năng tác dụng với một axit, ta
có thể xem chất đó là một bazơ.
2. Axit Lewis có thể tách ra thành axit và bazơ yếu
3. Axit Lewis có thể làm xúc tác cho những phản ứng mà trước đây dùng axit Bronsted và
hoạt tính của axit Lewis tương đương hoạt tính của axit Bronsted; ngược lại độ chọn lọc
của axit Lewis lớn hơn độ chọn lọc của axit Bronsted.
Các loại xúc tác Lewis hay gặp: AlCl3 , BF3 , AlBr3 , BCl3 , SnCl4 , ZnCl2 , Al2O3...
20
Tải về để xem bản đầy đủ
102 trang
25740
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật xúc tác", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_xuc_tac.pdf
