Chất xúc tác là gì?

Chất xúc tác

1. Định nghĩa

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.

2. Phân loại

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).

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.

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.

3. Tính chất

- 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).

- 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).

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

- Trong các phản ứng xúc tác đồng thể, tác dụng của chất xúc tác tỷ lệ với lượng xúc tác.

- 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

4. Bài tập vận dụng

Bài 1: Cho phản ứng: A+ 2B → C

Nồng độ ban đầu các chất: [A] = 0,3M; [B] = 0,5M. Hằng số tốc độ k = 0,4

a) Tính tốc độ phản ứng lúc ban đầu.

b) Tĩnh tốc độ phản ứng tại thời điểm t khi nồng độ A giảm 0,1 mol/l.

Giải

a) Tốc độ ban đầu:

V_{ban đầu} = k.[A].[B]²= 0,4.[0,3].[0,5] ² =0,3 mol/ls

b) Tốc độ tại thời điểm t

Khi nồng độ A giảm 0,1 mol/lít thì B giảm 0,2 mol/l theo phản ứng tỉ lệ 1 : 2

Nồng độ tại thời điểm t:

[A’] = 0,3 – 0,1 =0,2 (mol/l)

[B’]=0,5 -0,2 =0,3 (mol/l)

V= k.[A’].[B’] ²= 0,4.[0,2].[0,3] ²=0,0072 mol/ls

Bài 2: Cho phản ứng A + 2B → C

Cho biết nồng độ ban đầu của A là 0,8M, của B là 0,9M và hằng số tốc độ k = 0,3. Hãy tính tốc độ phản ứng khi nồng độ chất A giảm 0,2M.

Giải

Ta có [A] giảm 0,2M thì theo phương trình:

A + 2B → C

0,2 → 0,4 → 0,2

⇒ [B] giảm 0,4

Nồng độ còn lại của các chất: [A] = 0,8 – 0,2 = 0,6M

[B] = 0,9 – 0,4 = 0,5M

Tốc độ phản ứng: v = k.[A].[B]² = 0,3 x 0,6 x (0,5)2 = 0,045

Bài 3: Cho phản ứng hóa học có dạng: A + B → C.

Tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào khi:

a. Nồng độ A tăng 2 lần, giữ nguyên nồng độ B.

b. Nồng độ B tăng 2 lần, giữ nguyên nồng độ A.

c. Nồng độ của cả hai chất đều tăng lên 2 lần.

d. Nồng độ của chất này tăng lên 2 lần, nồng độ của chất kia giảm đi 2 lần.

e. Tăng áp suất lên 2 lần đối với hỗn hợp phản ứng, coi đây là phản ứng của các chất khí

Giải

Ta có: v = k.[A].[B]

a, Khi [A] tăng 2 lần thì : v_a = k.[2A].[B] = 2k.[A].[B] = 2v

Vậy tốc độ phản ứng tăng lên 2 lần.

b, Khi [B] tăng lên 2 lần thì : v_b = k.[2B].[A] = 2k.[A].[B] = 2v

Vậy tốc độ phản ứng tăng lên 2 lần.

c, Khi [A] và [B] đều tăng 2 lần: v_c = k.[2A].[2B] = 4k.[A].[B] = av

Vậy tốc độ phản ứng tăng lên 4 lần.

d, Nồng độ của chất này tằng 2 lần, nồng độ của chất kia giảm 2 lần, do đó tốc độ phản ứng không thay đổi.

e, Khi tăng áp suất 2 lần (tương ứng với việc giảm thể tích 2 lần) nghĩa là tăng nồng độ của mỗi phản ứng lên 2 lần, do đó tốc độ phản ứng tăng lên 4 lần

Bài 4: Khi bắt đầu phản ứng, nồng độ của một chất là 0,024 mol/l. Sau 10s xảy ra phản ứng nồng độ của chất đó là 0,022 mol/lít. Hãy tính tốc độ phản ứng trong thời gian đó

Giải

Tốc độ phản ứng: v = (0,024-0,022)/10 = 0,0002 (mol/lít.s)

Bài 5: Cho chất xúc tác Mn₂ vào 100 ml dung dịch H₂O₂, sau 60 giây thu được 3,36 ml khí O₂ (ở đktc). Tính tốc độ trung bình của phản ứng (tính theo H₂O₂) trong 60 giây.

Giải

Bài 6: Khi bắt đầu phản ứng, nồng độ của một chất là 0,024 mol. Sau 20 giây phản ứng, nồng độ của chất đó là 0,020 mol. Hãy tính tốc độ trung bình của phản ứng này trong thời gian đã cho.

Giải

Bài 7: Xét phản ứng phân hủy N₂O₅ trong dung môi CCl₄ ở 450^oC:

${\text{N}}_2{\text{O}}_5\stackrel{{450}^{0}C}{\rightleftharpoons }{\text{ N}}_2{\text{O}}_4+\frac{1}{2}{\text{O}}_2$

Ban đầu nồng độ của N₂O₅ là 2,33M, sau 184 giây nồng độ của N₂O₅ là 2,08M. Tốc độ trung bình của phản ứng tính theo N₂O₅ là

Bài 8: Xét phản ứng: 2KI + H₂O₂ ⇌ 2KOH + I₂

Nồng độ ban đầu của KI là 1,0 mol/1, sau 20 giây nồng độ của nó bằng 0,2 mol/l. Tốc độ trung bình của phản ứng

Bài 9: Nồng độ ban đầu của A là 0,1 mol/1, của B là 0,8 mol/l. Sau 10 phút, nồng độ của B chỉ còn 20% nồng độ ban đầu. Tốc độ trung bình của phản ứng

Bài 10: Nồng độ ban đầu của A là 1M, B là 3M, hằng số tốc độ k = 0,5. Vận tốc của phản ứng khi đã có 20% chất A tham gia phản ứng