Ví dụ ảnh hưởng của chất xúc tác

Một chất có khả năng nhiệt động lực học nhưng có thể làm tăng đáng kể tốc độ phản ứng của một số thay đổi hóa học cụ thể, chậm nhất định khi bổ sung một lượng nhỏ. Có thể coi bản thân trước và sau phản ứng không có sự thay đổi nào và không ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng của phản ứng. Ví dụ, khi hydro và oxy được trộn trong một bình chứa màu đen bạch kim, chúng phản ứng dữ dội để tạo ra nước. Khi thêm một lượng nhỏ axit clohydric [ion hydro] vào dung dịch nước của metyl axetat, phản ứng thủy phân diễn ra dễ dàng và trở thành axit axetic và rượu metylic. Tốc độ phản ứng cao hơn đáng kể so với trường hợp không có ion đen platin và hydro tương ứng, và trạng thái của ion đen platin và ion hydro sau khi phản ứng kết thúc không thay đổi. Khi chất xúc tác là một chất rắn như màu đen bạch kim và chất để phản ứng là một chất khí như hydro và oxy, nó được gọi là phản ứng xúc tác dị thể. Khi thu được cùng một pha dung dịch, chẳng hạn như axit clohydric và dung dịch nước metyl axetat, nó được gọi là phản ứng xúc tác đồng nhất. Nếu lượng nhỏ axit clohiđric thêm vào thì quan hệ cân bằng giữa phản ứng thủy phân metyl axetat và phản ứng este hóa axit axetic - ancol metylic hầu như không bị ảnh hưởng.

Nói chung, các chất xúc tác thúc đẩy phản ứng, nhưng một số chất làm chậm phản ứng. Trong đó, chất đầu tiên được gọi là chất xúc tác tích cực và chất thứ hai được gọi là chất xúc tác tiêu cực. Ví dụ về chất đồng xúc tác [còn được gọi là chất xúc tác] bổ sung một lượng nhỏ các chất khác nhau vào thành phần chất xúc tác để tăng thêm hoạt tính bao gồm alumin và kali trong chất xúc tác sắt để tổng hợp amoniac. Ngược lại, nhiều ví dụ như các hợp chất lưu huỳnh trong các phản ứng có xúc tác hydro hóa, hoạt tính của chúng bị giảm đáng kể do một lượng nhỏ chất phụ gia, cũng được biết đến và được gọi là chất độc xúc tác. Bạch kim, là thành phần hoạt động của chất xúc tác hydro hóa, thường được sử dụng bằng cách hỗ trợ nó trên alumin hoặc than hoạt tính có diện tích bề mặt lớn. Alumina và than hoạt tính trong trường hợp này được gọi là chất mang, và sự hiện diện của các lỗ xốp được coi là đặc biệt quan trọng.

Người ta cho rằng hydro và oxy bị hấp phụ trên bề mặt của màu đen bạch kim được phân ly thành các nguyên tử [H và O] thay vì thành phân tử, và các phân tử nước dễ dàng được tạo ra và khử hấp thụ trên bề mặt. Người ta nói rằng ngay cả trong phản ứng tạo ra amoniac từ hydro và nitơ trên chất xúc tác sắt, đầu tiên mỗi phân tử bị phân ly và hấp phụ, sau đó NH, NH 2 và NH 3 lần lượt được tạo ra, dẫn đến sự giải hấp các phân tử amoniac. Có. Khi con đường phản ứng được thực hiện, tốc độ của toàn bộ phản ứng được điều khiển bởi tốc độ của quá trình phần tử phản ứng chậm nhất [bước xác định tốc độ].

Bề mặt của một chất rắn, có tính axit có thể đóng một vai trò tương tự như các ion hydro trong phản ứng xúc tác đồng nhất pha lỏng và được gọi là chất xúc tác axit rắn. Ví dụ điển hình là silica-alumina, là một loại gel hỗn hợp của oxit silic và oxit nhôm, và zeolit, có cấu trúc tinh thể đặc trưng và có thể kết hợp các phân tử phản ứng vào chất rắn. Sự hình thành các chất trung gian ion cacbonium là chìa khóa cho sự tiến triển của phản ứng.

Mặt khác, phức chất rhodi sử dụng hiđro iođua làm chất đồng xúc tác có xúc tác là phản ứng của rượu metylic với cacbon monoxit trong dung dịch axit axetic để tổng hợp axit axetic. Methyl iodide tạo ra cân bằng trong dung dịch được phân ly và thêm vào phức rhodi [được gọi là sự cộng oxy hóa], và carbon monoxide được phối trí riêng biệt phản ứng với phối tử metyl [được gọi là sự chèn phối tử] để tạo thành tọa độ acetyl. Nó tạo thành một chu trình phản ứng xúc tác, trong đó nó trở thành con, được khử hấp thụ cùng với ion iodua [được gọi là khử hấp phụ], trải qua quá trình thủy phân để tái tạo hydro iodua và tạo ra axit axetic. Cơ chế của phản ứng xúc tác thường phức tạp và thường không rõ ràng.

Năm 1836, nhà hóa học Thụy Điển JJ Berselius đã tập trung vào các chất hoạt động như vậy và đặt tên cho chúng từ từ tiếng Hy Lạp là katallysis [nghĩa gốc là tháo và nới lỏng các đám rối, nút thắt, v.v.]. Quá trình lên men rượu sử dụng đường làm nguyên liệu thô và axit axetic lên men rượu đã được thực hiện trong một thời gian dài, và quá trình sản xuất axit sulfuric kiểu buồng chì để tẩy vải lanh bắt đầu vào nửa đầu thế kỷ 18, nhưng quá trình đường hóa tinh bột tiếp tục bằng cách axit được tìm thấy [1781], H. Davy người Anh đã tiến hành một thí nghiệm công khai về quá trình đốt cháy hiđro, cacbon monoxit, etylen, rượu, ête, v.v ... bên dưới điểm bắt lửa bằng dây bạch kim nung nóng tại Viện Hoàng gia ở London [ Năm 1817]. Ngoài ra, nhiều hiện tượng đáng chú ý của loại này đã được tìm thấy, chẳng hạn như tác dụng phát huy tác dụng của mangan đioxit trong phản ứng tạo oxy từ kali clorat và thêm axit sunfuric trong phản ứng khử nước để thu được ete từ rượu etylic. Berserius, một nhân vật lớn trong thế giới hóa học lúc bấy giờ, quan tâm đến những hiện tượng không phụ thuộc vào ái lực hóa học thông thường, và đề xuất ý tưởng này như một khái niệm mới gây ra phản ứng hóa học. Định nghĩa của ông khi đặt tên là "khi nó ở trong không gian phản ứng và tiến hành bởi một chất bất biến về mặt hóa học trước và sau phản ứng, đây được gọi là phản ứng xúc tác". Tuy nhiên, vì nó được coi là một hành động hơi bí ẩn của "sức mạnh xúc tác", nó đã bị chỉ trích bởi nhiều nhà hóa học, bao gồm cả J. von Liebig và L. Pasteur.

Nửa sau của thế kỷ 19 là thời kỳ bình minh của hóa học vật lý. Một nghiên cứu [1850] theo dõi tỷ lệ chuyển đổi của sucrose từ những thay đổi về mức độ của sucrose và cho thấy rằng tỷ lệ này tỷ lệ thuận với nồng độ sucrose, một nghiên cứu về sự cân bằng hình thành este etyl axetat giữa rượu etylic và axit axetic [1862], hoặc Với sự đóng góp của JH Fant Hoff và JW Gibbs, những người đã áp dụng nhiệt động lực học vào cân bằng hóa học, ngày càng có nhiều người nhận ra rằng phản ứng không thể tiến hành vượt quá giá trị cân bằng do tác dụng của chất xúc tác. Năm 1900, FW Ostwald đã định nghĩa chất xúc tác như sau: . Định nghĩa này vẫn được chấp nhận cho đến ngày nay. Tuy nhiên, một số ý kiến đã được thêm vào từ một góc nhìn mới. Để liệt kê với các thuật ngữ chính, tầm quan trọng của hoạt động xúc tác nằm ở chỗ không chỉ thay đổi tốc độ của phản ứng mà còn cả đường đi của phản ứng [độ chọn lọc], và bản thân chất xúc tác không thay đổi gì cả trước và sau phản ứng [chất xúc tác]. Life], đặc điểm của xúc tác là tham gia nhiều lần vào quá trình phản ứng và tái sinh, đồng thời đẩy nhanh tiến độ phản ứng [chu trình phản ứng xúc tác].

Ostwald cũng phát minh ra một phương pháp sản xuất axit nitric để oxy hóa amoniac trong không khí với sự có mặt của bạch kim. Cũng trong khoảng thời gian đó, P. Sabatier phát hiện ra rằng niken bị khử có hoạt tính hydro hóa của các hydrocacbon không bão hòa, mở đường cho ngành sản xuất dầu hydro hóa. Ngoài ra, phương pháp sản xuất axit sulfuric kiểu buồng chì oxy hóa lưu huỳnh đioxit bằng cách sử dụng các oxit nitơ làm chất xúc tác đã thay thế phương pháp xúc tác platin.

Chính quá trình tổng hợp amoniac vào đầu thế kỷ 20 mà hoạt động của chất xúc tác đã gây chấn động thế giới. Đặc biệt là vào cuối thế kỷ trước, vấn đề thiếu lương thực được đặt ra mạnh mẽ, và nhiều nhà hóa học đang nghiên cứu để giải quyết tình trạng thiếu nguồn cung cấp phân đạm bằng cách cố định nitơ trong không khí. Đó là khoảng thời gian khi phương pháp nitơ vôi [hỗn hợp canxi xyanua và cacbon] được công nghiệp hóa [1905] và có những chuyển động như chuẩn bị cho quá trình cô cạn nitratine [natri nitrat tự nhiên]. Cuối cùng, vào năm 1909, F. Harbour đã thành công trong một thí nghiệm tổng hợp liên tục amoniac bằng cách sử dụng nitơ trong không khí làm nguyên liệu thô và sử dụng chất xúc tác. Ông nhận thức rõ rằng áp suất cân bằng càng cao thì phản ứng tổng hợp amoniac càng thuận lợi. Ngoài ra, ngay cả khi nồng độ amoniac được tạo ra thấp, nếu đặc tính dễ hóa lỏng ở nhiệt độ thấp và áp suất cao được sử dụng, amoniac được tạo ra có thể liên tục được đưa ra ngoài dưới dạng chất lỏng và khí còn lại có thể được lưu thông, do đó tiến phản ứng có lợi. Tôi cũng đã nhận thức được điều đó. Cuối cùng, tôi đã có thể thu được một loại bột osmi kim loại đủ hoạt động. Vào thời điểm này, Harbour đã tham gia vào một hệ thống nghiên cứu hợp tác với BASF. Công ty sẽ phụ trách nghiên cứu về công nghiệp hóa, K. Bosch sẽ phát triển lò phản ứng áp suất cao và PA Mittasch sẽ phát triển chất xúc tác. Một chất xúc tác tổng hợp amoniac hoạt tính cao-dựa trên sắt-nhôm-kali oxit-được phát hiện, và việc sản xuất 10 tấn của Nissan đã bắt đầu trong 13 năm. Thành phần này về cơ bản giống với chất xúc tác thực tế hiện nay. Hơn nữa, công ty cũng đã tạo ra một ngành công nghiệp tổng hợp metanol sử dụng xúc tác oxit kẽm-crom oxit thông qua việc tích lũy công nghệ áp suất cao và nghiên cứu chất xúc tác.

Các ví dụ về việc chất xúc tác trở thành trung tâm của quá trình công nghiệp hóa chất lần lượt xuất hiện. Cũng giống như phương pháp tổng hợp rượu metylic, hydro và carbon monoxide được sử dụng làm nguyên liệu thô, nhưng chất xúc tác Coban hoặc sắt của phản ứng Fisher-Tropsch, tập trung vào sản xuất nhiên liệu lỏng và bạch kim làm chất xúc tác sản xuất axit sulfuric được thay thế bằng phthalic anhiđrit và anhiđrit maleic. Vanadi pentoxit như một chất xúc tác oxy hóa chọn lọc, hợp kim của niken và nhôm được xử lý bằng natri hydroxit, và nhôm được rửa giải để thu được niken dạng bột mịn, được sử dụng trong sản xuất nguyên liệu dược phẩm và thực phẩm ở điều kiện nhẹ. Ví dụ như chất xúc tác Rane-niken, chất xúc tác phốt phát rắn thu được polyme lỏng từ olefin và chất xúc tác coban theo phương pháp oxo tạo ra rượu cao hơn từ olefin, cacbon monoxit và hydro.

Sau Thế chiến thứ hai, có một sự phát triển lớn tập trung vào dầu mỏ. Đầu tiên, quy trình tinh chế dầu mỏ được mở rộng từ các hoạt động vật lý đơn giản như chưng cất khí quyển và chưng cất chân không sang các quy trình hóa học sử dụng đầy đủ các phản ứng xúc tác. Đặc biệt, chất xúc tác được sử dụng ở dạng các hạt mịn có thể chảy trong luồng không khí, và chất xúc tác lưu thông giữa lò phản ứng xúc tác phân hủy dầu nhẹ và thiết bị tái sinh đốt cháy và loại bỏ chất cacbon lắng đọng trên chất xúc tác với không khí. Việc phát triển lò phản ứng xúc tác kiểu tầng sôi để sản xuất liên tục quy mô lớn cũng là một thành tựu đáng kể trong kỹ thuật hóa học. Đối với bản thân chất xúc tác, chất xúc tác trong đó cặn naphtha của dầu mỏ được phản ứng với chất xúc tác oxit molypden hỗ trợ alumin để sản xuất xăng hàng không và toluen trong Chiến tranh thế giới thứ hai đã được thay thế bằng chất xúc tác bạch kim hỗ trợ alumin được gọi là phương pháp platforming . [1949], những cải tiến hơn nữa đã được thực hiện đối với một chất xúc tác lưỡng kim platin-hydronium được hỗ trợ bởi alumina được gọi là phương pháp tái tạo [1967]. Việc bổ sung lưu biến duy trì trạng thái phân tán cao ổn định của bạch kim, và vì lượng kết tủa của vật liệu cacbon nhỏ, áp suất riêng phần của hydro có thể được giảm xuống, điều này có lợi cho việc tạo mùi thơm và ngăn chặn quá trình hydrocracking, tạo ra dầu cải cách. Người ta nói rằng sản lượng hydro hóa sẽ tăng lên.

Lúc đầu, cracking axit được sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng cracking xúc tác sử dụng dầu nặng làm nguyên liệu, nhưng nó được thay thế bằng silica-alumin tổng hợp vô định hình. Chất xúc tác axit rắn có nguồn gốc từ các ion nhôm chuyển đổi olefin có trong nguyên liệu thô thành các ion cacbonium để sản xuất xăng có trị số octan cao. Chất xúc tác sau đó đã thay đổi với sự ra đời của zeolit [1960]. Zeolit được đặc trưng bởi sự sắp xếp đều đặn của các lỗ xốp có hình dạng cố định, và có thể cải thiện chức năng xúc tác bằng cách trao đổi ion. Nó có đặc tính lựa chọn hình dạng của phân tử sẽ được sử dụng], vì vậy người ta đặt nhiều kỳ vọng vào nó. Zeolit trao đổi ion với đất hiếm được sử dụng để crackinh xúc tác. Chất xúc tác dựa trên molypden-coban mang theo alumin được sử dụng cho phản ứng hydro hóa lưu huỳnh hóa để làm giảm hàm lượng lưu huỳnh trong dầu nặng hoặc phản ứng hydro hóa như một quy trình hóa học tinh chế dầu mỏ. Điều quan trọng là bản thân molypden sulfide có hoạt tính xúc tác hydro hóa. Nhiều sản phẩm hóa dầu là sản phẩm của các phản ứng xúc tác. Chất xúc tác bạc tạo ra etylen oxit từ etylen, phương pháp sohaio oxi hóa propylen bằng amoniac để thu được acrylonitril, chất xúc tác oxit tổng hợp như molypden-bitmut-antimon-sắt được sử dụng trong các phản ứng oxi hóa chọn lọc khác nhau và p -trong pha lỏng. Có rất nhiều chất xúc tác như chất xúc tác coban axetat tổng hợp axit terephthalic từ xylen sử dụng bromua làm chất đồng xúc tác.

Nhân tiện, sự phát triển chất xúc tác tạo kỷ nguyên nhất sau Thế chiến thứ hai có lẽ là phản ứng trùng hợp olefin lập thể của K. Ziegler và Guilio Natta [1903-79]. Kết quả là, polypropylene với sự đều đặn ba chiều đã được tạo ra và được sử dụng cho nhiều mục đích [< Chất xúc tác Ziegler >]. Hoạt động trùng hợp phối trí của chất xúc tác này, bao gồm titan triclorua và các hợp chất nhôm hữu cơ, đã khơi dậy sự quan tâm rộng rãi đến các phức chất cơ kim, và nhiều chất xúc tác phức tạp khác nhau đã được sản xuất. Quá trình Wacker, tổng hợp acetaldehyde bằng cách oxy hóa ethylene bằng dung dịch nước muối palađi, đã đóng một vai trò trong quá trình hóa dầu [công nghiệp hóa năm 1960]. Phản ứng thu được axit axetic từ rượu metylic và cacbon monoxit bằng chất xúc tác phức rhodi sử dụng ion iodua làm phối tử diễn ra theo dòng chảy [công nghiệp hóa năm 1970], và nguyên liệu thô của ngành công nghiệp hóa chất chuyển từ dầu mỏ sang hợp chất C 1 . Nó phản ánh tình hình cần thực hiện [< Hóa học C 1 >].

Do các vấn đề về môi trường, các chất xúc tác đã phát huy sức mạnh của chúng vượt ra ngoài lĩnh vực của ngành công nghiệp hóa chất. Chất xúc tác đóng một vai trò chính trong việc xử lý lưu huỳnh và oxit nitơ từ ống khói hoặc khí thải ô tô. Các oxit nitơ thải ra từ các nguồn cố định sẽ phản ứng với amoniac để chuyển chúng thành nitơ và nước, lúc đó các chất xúc tác vanadi oxit hỗ trợ titan oxit được sử dụng. Nguồn di động được xử lý bằng chất xúc tác có chứa platin-palladium-rhodium để carbon monoxide và hydrocacbon có thể bị oxy hóa hoàn toàn bởi các oxit nitơ và oxy trong không khí đồng thời điều chỉnh lượng oxy cung cấp.

Liên quan đến vấn đề năng lượng, quá trình hóa lỏng / khí hóa than, chất xúc tác oxy hóa nâng cao hiệu suất đốt cháy, chất xúc tác dùng cho quá trình lưu trữ nhiệt hóa học / ống dẫn nhiệt / máy bơm nhiệt, điện cực pin nhiên liệu, chất xúc tác quang sử dụng năng lượng mặt trời, v.v. đang thu hút sự chú ý. ing. Mặt khác, có thể tìm thấy nhiều loại chất xúc tác khác nhau như máy làm ấm túi bạch kim, máy khử mùi cho bếp, cảm biến rò rỉ khí gas xung quanh chúng ta.

Enzyme điều khiển các phản ứng hóa học trong cơ thể sống cũng là một loại chất xúc tác, nhưng chúng khác biệt đáng kể so với chất xúc tác nói chung về tính đặc trưng của cơ chất và điều kiện phản ứng. Để biết thêm thông tin < men > Tham khảo phần.
Yasukazu Saito

Page 2

Tốc độ phản ứng hoặc tốc độ phản ứng là tốc độ chuyển hóa chất phản ứng thành sản phẩm. Ví dụ, sự rỉ sắt oxy hóa trong bầu khí quyển của Trái đất là một phản ứng chậm có thể mất nhiều năm, nhưng quá trình đốt cháy cellulose trong lửa là một phản ứng diễn ra trong một phần của giây. Đối với hầu hết các phản ứng, tốc độ giảm khi phản ứng tiến hành.
Động học hóa học là một phần của hóa học vật lý nghiên cứu tốc độ phản ứng. Các khái niệm về động học hóa học được áp dụng trong nhiều ngành, như kỹ thuật hóa học, enzyme và kỹ thuật môi trường.

Tốc độ tiến hành phản ứng hóa học. Khi phản ứng hóa học tiến triển, nồng độ chất phản ứng giảm và nồng độ sản phẩm tăng theo. Giảm nồng độ chất phản ứng trên một đơn vị thời gian hoặc tăng nồng độ của sản phẩm [sự thay đổi nồng độ của từng chất chia cho hệ số trong phương trình hóa học ] được gọi là tốc độ phản ứng và nồng độ của chất phản ứng hoặc sản phẩm là Nó được đo bằng cách kiểm tra xem nó thay đổi theo thời gian như thế nào. Trong một số phản ứng hóa học, tốc độ phản ứng thường thay đổi tùy thuộc vào nồng độ chất phản ứng và sản phẩm, nhiệt độ phản ứng, loại dung môi trong dung dịch, sự hiện diện hay không có chất xúc tác và tương tự. Giả sử tốc độ phản ứng của phản ứng dương tính là v 1 và tốc độ phản ứng của phản ứng ngược là v 2 , tốc độ phản ứng v trong trường hợp toàn bộ phản ứng được biểu thị bằng v = v 1 -v 2 , tốc độ của phản ứng ngược là phản ứng dương tính, Nó có thể được xử lý như v = v 1 trong trường hợp có thể bỏ qua so với tốc độ của v = v 1 . Ở trạng thái cân bằng [ cân bằng hóa học ], v 1 = v 2 . Tốc độ phản ứng được xác định bởi nồng độ của từng chất phản ứng và tốc độ phản ứng không đổi độc lập từ đó. Hằng số tốc độ phản ứng đưa ra thước đo khả năng phản ứng hóa học của nó, thay đổi tùy theo nhiệt độ, áp suất, loại chất xúc tác, v.v ... Trong phản ứng tương đối nhanh, hằng số tốc độ phản ứng thường khoảng 2 đến 3 lần khi nhiệt độ tăng bằng 10 ° C. Trở thành.
→ Các mặt hàng liên quan Ostwald | Phản ứng hóa học | Năng lượng kích hoạt | Tốc độ

Nguồn Encyclopedia Mypedia

Những ngôn ngữ khác