Chất xúc tác là gì? Chìa khóa cho nhiều phản ứng hóa học

Định nghĩa chất xúc tác là gì?

Chất xúc tác là một chất tham gia vào phản ứng hóa học nhưng không bị biến đổi về mặt hóa học sau khi phản ứng kết thúc. Chất xúc tác có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng hóa học mà không làm thay đổi sản phẩm của phản ứng. Sau khi phản ứng kết thúc, chất xúc tác được tách ra khỏi sản phẩm phản ứng và có thể được tái sử dụng. Chất xúc tác có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí.

Cơ chế quang xúc tác của TiO2 ứng dụng trong khử khuẩn

Đặc điểm, tính chất của chất xúc tác

Đặc điểm của chất xúc tác

- Chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng.

- Chất xúc tác làm xúc tác cho phản ứng thuận thì cũng làm xúc tác cho phản ứng nghịch nên chất xúc tác làm cho phản ứng nhanh đạt tới trạng thái cân bằng, không làm chuyển dịch cân bằng, không thay đổi ΔH.

Tính chất của chất xúc tác

- Độ bền của chất xúc tác quyết định thời gian sử dụng và tuổi thọ của chúng trong quá trình phản ứng.

- Tính chất hình thái và kích thước hạt quyết định diện tích bề mặt của chất xúc tác, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng.

- Tính chất hoạt động của chất xúc tác liên quan đến khả năng kích thích phản ứng hóa học. 

- Tính chất chọn lọc liên quan đến khả năng phân tích các chất tham gia phản ứng và tạo ra sản phẩm mong muốn.

Cơ chế, cách thức hoạt động của chất xúc tác

- Chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học bằng cách cung cấp một bề mặt mới cho các phân tử phản ứng tương tác.

+ Năng lượng hoạt hóa là năng lượng tối thiểu cần thiết để các chất phản ứng bắt đầu phản ứng với nhau.

+ Khi năng lượng hoạt hóa giảm, phản ứng hóa học sẽ xảy ra nhanh hơn.

Ví dụ: Trong phản ứng tổng hợp amoniac, sắt (Fe) là chất xúc tác. Sắt có một bề mặt xốp, có nhiều lỗ nhỏ. Các phân tử N2 và H2 có thể bám vào các lỗ nhỏ này và tương tác với nhau. Điều này giúp giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng, khiến phản ứng diễn ra nhanh hơn.

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)

- Chất xúc tác tạo ra các sản phẩm trung gian, sau đó các sản phẩm trung gian này phản ứng với nhau để tạo thành sản phẩm cuối cùng.

Ví dụ: Trong phản ứng tổng hợp Fischer - Tropsch, zeolit là chất xúc tác. Zeolit có một cấu trúc đặc biệt, có thể tạo ra các sản phẩm trung gian có năng lượng thấp hơn. Các sản phẩm trung gian này sau đó phản ứng với nhau để tạo thành xăng sinh học.

CO(g) + 2H2(g) → CH3OH(g)

Ngoài ra, chất xúc tác còn có thể hoạt động theo các cơ chế khác như: cung cấp năng lượng cho phản ứng, làm thay đổi cơ chế phản ứng, ...

Vai trò của chất xúc tác

- Chất xúc tác là chìa khóa cho nhiều phản ứng hóa học. Chất xúc tác là một chất có vai trò quan trọng trong nhiều phản ứng hóa học. Nó có thể làm tăng tốc độ phản ứng, giảm nhiệt độ phản ứng, hoặc thay đổi sản phẩm của phản ứng.

- Chất xúc tác giúp giảm thời gian và chi phí sản xuất: Chất xúc tác giúp cho phản ứng hóa học xảy ra nhanh hơn, từ đó giúp giảm thời gian và chi phí sản xuất. Ví dụ, trong quá trình sản xuất phân bón, chất xúc tác giúp giảm thời gian sản xuất từ 20 ngày xuống còn 5 ngày, giúp tiết kiệm chi phí sản xuất đáng kể.

- Chất xúc tác giúp cải thiện chất lượng sản phẩm: Chất xúc tác giúp cho phản ứng hóa học xảy ra theo một hướng nhất định, từ đó giúp cải thiện chất lượng sản phẩm. Ví dụ, trong quá trình sản xuất nhựa, chất xúc tác giúp loại bỏ các tạp chất, từ đó giúp sản phẩm nhựa có độ trong suốt và độ bền cao hơn.

- Chất xúc tác giúp bảo vệ môi trường - vị cứu tinh cho môi trường: Chất xúc tác được sử dụng trong các quá trình xử lý ô nhiễm môi trường, giúp giảm thiểu lượng khí thải và chất thải độc hại ra môi trường. Ví dụ, chất xúc tác được sử dụng trong các bộ lọc khí thải của ô tô, giúp giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường.

Phân loại chất xúc tác

* Theo cách thức hoạt động

- Chất xúc tác đồng thể: Chất xúc tác và chất phản ứng ở cùng một pha.

- Chất xúc tác dị thể: Chất xúc tác và chất phản ứng ở các pha khác nhau.

* Theo tính chất hóa học

- Chất xúc tác vô cơ: Được làm từ các nguyên tố hóa học hoặc hợp chất vô cơ. Ví dụ: sắt (Fe) trong phản ứng tổng hợp ammoniac, platin (Pt) trong phản ứng tổng hợp metanol.

- Chất xúc tác hữu cơ: Được làm từ các hợp chất hữu cơ. Ví dụ: enzyme trong quá trình tiêu hóa thức ăn, zeolit trong quá trình lọc nước.

* Theo trạng thái vật lý

- Chất xúc tác rắn

- Chất xúc tác lỏng

- Chất xúc tác khí

Ví dụ về chất xúc tác trong hóa học và đời sống

- Chất xúc tác sắt (Fe) được sử dụng trong phản ứng tổng hợp ammoniac, là phản ứng quan trọng để sản xuất phân bón.

- Chất xúc tác platin (Pt) được sử dụng trong phản ứng tổng hợp metanol, là phản ứng quan trọng để sản xuất nhiên liệu sinh học.

- Chất xúc tác zeolit được sử dụng trong phản ứng lọc dầu, giúp tách dầu ra khỏi nước và các tạp chất khác, sản xuất xăng sinh học.

- Enzyme trong quá trình tiêu hóa thức ăn là những chất xúc tác giúp phân giải thức ăn thành các chất dinh dưỡng nhỏ hơn để cơ thể dễ dàng hấp thụ.

Enzim - chất xúc tác sinh học có thành phần là protein

- Chất xúc tác được sử dụng trong các bộ lọc khí thải ô tô để giảm thiểu lượng khí thải độc hại như NOx và SOx.

- Thuốc aspirin là một chất xúc tác giúp ngăn chặn sự hình thành các cục máu đông.

- Molybdenum (Mo) trong phản ứng sản xuất axit sulfuric: Chất xúc tác molybdenum giúp giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng này, từ đó giúp tăng tốc độ phản ứng và giảm chi phí sản xuất axit sulfuric.

- Vàng (Au) được sử dụng trong bộ lọc khí thải ô tô để giảm thiểu lượng khí thải độc hại.

- Chromium (Cr) được sử dụng trong các nhà máy điện than để giảm thiểu lượng khí thải SOx.

- Canxi hydroxit (Ca(OH)2) được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước thải để loại bỏ các chất ô nhiễm.

Ứng dụng của chất xúc tác trong đời sống

Chất xúc tác được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:

- Công nghiệp hóa chất: Chất xúc tác được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm hóa dầu, phân bón, thuốc trừ sâu,...

- Sản xuất vật liệu: Chất xúc tác được sử dụng trong sản xuất các vật liệu mới như gốm sứ, thủy tinh, vật liệu composite,...

- Y học: Chất xúc tác được sử dụng trong sản xuất các loại thuốc, chế phẩm sinh học,...

- Sinh học: Chất xúc tác được sử dụng trong các quá trình sinh học, chẳng hạn như tiêu hóa thức ăn, hô hấp,...

- Nông nghiệp: Chất xúc tác được sử dụng trong sản xuất phân bón sinh học, thuốc trừ sâu sinh học,...

- Xử lý môi trường: Chất xúc tác được sử dụng để xử lý ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước, ô nhiễm đất, loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi môi trường và tái tạo các nguồn tài nguyên.

- Sản xuất năng lượng.