12.7: Xúc tác
- Page ID
- 217866
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)Đến cuối phần này, bạn sẽ có thể:
- Giải thích chức năng của chất xúc tác về cơ chế phản ứng và sơ đồ thế năng
- Liệt kê các ví dụ về xúc tác trong các quy trình tự nhiên và công nghiệp
Trong số các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học được thảo luận trước đó trong chương này là sự hiện diện của chất xúc tác, một chất có thể làm tăng tốc độ phản ứng mà không bị tiêu thụ trong phản ứng. Các khái niệm được giới thiệu trong phần trước về cơ chế phản ứng cung cấp cơ sở để hiểu cách chất xúc tác có thể thực hiện chức năng rất quan trọng này.
Hình vẽ \(\PageIndex{1}\) cho thấy sơ đồ phản ứng cho một quá trình hóa học khi không có và có mặt chất xúc tác. Kiểm tra các sơ đồ cho thấy một số đặc điểm của các phản ứng này. Phù hợp với thực tế là hai sơ đồ đại diện cho cùng một phản ứng tổng thể, cả hai đường cong bắt đầu và kết thúc ở cùng một năng lượng (trong trường hợp này, vì các sản phẩm có nhiều năng lượng hơn chất phản ứng, phản ứng thu nhiệt). Tuy nhiên, các cơ chế phản ứng rõ ràng là khác nhau. Phản ứng không được xúc tác tiến hành thông qua cơ chế một bước (quan sát thấy một trạng thái chuyển tiếp), trong khi phản ứng xúc tác tuân theo cơ chế hai bước (quan sát thấy hai trạng thái chuyển tiếp) với năng lượng hoạt hóa thấp hơn đáng kể. Sự khác biệt này minh họa các phương tiện mà chất xúc tác có chức năng tăng tốc các phản ứng, cụ thể là bằng cách cung cấp một cơ chế phản ứng thay thế với năng lượng hoạt hóa thấp hơn. Mặc dù cơ chế phản ứng xúc tác cho một phản ứng không nhất thiết phải liên quan đến một số bước khác với cơ chế không xúc tác, nhưng nó phải cung cấp một đường phản ứng có bước xác định tốc độ nhanh hơn (thấp hơn E a).
Hai sơ đồ phản ứng ở đây đại diện cho cùng một phản ứng: một không có chất xúc tác và một có chất xúc tác. Ước tính năng lượng hoạt hóa cho mỗi quá trình và xác định cái nào liên quan đến chất xúc tác.
Giải pháp
Năng lượng hoạt hóa được tính bằng cách trừ năng lượng chất phản ứng khỏi năng lượng trạng thái chuyển tiếp.
\ [\ begin {align*}
&\ operatorname {diagram} (a): E_ {a} =32 kJ -6 kJ =26 kJ\\ [4pt]
&\ operatorname {diagram} (b): E_ {a} =20 kJ -6 kJ =14 kJ\ end {align*}\]
Phản ứng xúc tác là phản ứng có năng lượng hoạt hóa thấp hơn, trong trường hợp này được biểu diễn bằng sơ đồ b.
Sơ đồ phản ứng cho một quá trình hóa học có và không có chất xúc tác được hiển thị bên dưới. Cả hai phản ứng đều liên quan đến cơ chế hai bước với bước đầu tiên xác định tỷ lệ. Tính năng lượng hoạt hóa cho bước đầu tiên của mỗi cơ chế và xác định năng lượng nào tương ứng với phản ứng được xúc tác. Làm thế nào để các bước thứ hai của hai cơ chế này so sánh?
- Câu trả lời
-
Đối với bước đầu tiên, E a = 80 kJ cho (a) và 70 kJ cho (b), vì vậy sơ đồ (b) mô tả phản ứng được xúc tác. Năng lượng kích hoạt cho các bước thứ hai của cả hai cơ chế là như nhau, 20 kJ.
Chất xúc tác đồng nhất
Một chất xúc tác đồng nhất có mặt trong cùng pha với các chất phản ứng. Nó tương tác với một chất phản ứng để tạo thành một chất trung gian, sau đó phân hủy hoặc phản ứng với một chất phản ứng khác trong một hoặc nhiều bước để tái tạo chất xúc tác ban đầu và tạo thành sản phẩm.
Như một minh họa quan trọng của xúc tác đồng nhất, hãy xem xét tầng ôzôn của trái đất. Ozone trong bầu khí quyển phía trên, bảo vệ trái đất khỏi bức xạ cực tím, được hình thành khi các phân tử oxy hấp thụ ánh sáng cực tím và trải qua phản ứng:
\[3 O_2(g) \stackrel{h v}{\longrightarrow} 2 O_3(g) \nonumber \]
Ozone là một phân tử tương đối không ổn định, phân hủy để tạo ra oxy tảo cát theo phương trình ngược lại của phương trình này. Phản ứng phân hủy này phù hợp với cơ chế hai bước sau:
\ [\ begin {align*}
& O_3\ longrightarrow O_2+ O\\ [4pt]
& O + O_3\ longrightarrow 2 O_2\ end {align*}\]
Một số chất có thể xúc tác sự phân hủy ozone. Ví dụ, sự phân hủy ôzôn có xúc tác oxit nitric được cho là xảy ra thông qua cơ chế ba bước sau:
\ [\ begin {align*}
& NO (g) + O_3 (g)\ longrightarrow NO_2 (g) + O_2 (g)\ [4pt]
& O_3 (g)\ longrightarrow O_2 (g) + O (g)\\ [4pt]
& NO_2 (g) + O (g)\ longrightarrow NO (g) + O_2 (g)\ end {align*}\]
Theo yêu cầu, phản ứng tổng thể giống nhau đối với cả cơ chế không xúc tác hai bước và cơ chế không xúc tác ba bước:
\[2 O_3(g) \longrightarrow 3 O_2(g) \nonumber \]
Lưu ý rằng NO là chất phản ứng trong bước đầu tiên của cơ chế và là sản phẩm ở bước cuối cùng. Đây là một đặc điểm đặc trưng khác của chất xúc tác: Mặc dù nó tham gia vào phản ứng hóa học, nhưng nó không bị phản ứng tiêu thụ.
Giải Nobel Hóa học năm 1995 được Paul J. Crutzen, Mario J. Molina và F. Sherwood Rowland chia sẻ “cho công trình của họ trong hóa học khí quyển, đặc biệt liên quan đến sự hình thành và phân hủy ôzôn.” \(\PageIndex{2}\) 1 Phát hiện ban đầu của Molina về sự suy giảm tầng bình lưu của ôzôn bởi các nguyên tử clo được thực hiện tại Đại học California Irvine, sau đó ông chuyển đến Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA/, MIT và Đại học California, San Diego. Vào thời điểm ông qua đời vào năm 2020, Molina, một công dân Mexico đã thành lập một trung tâm mới để nghiên cứu năng lượng và môi trường ở Thành phố Mexico.
Năm 1974, Molina và Rowland xuất bản một bài báo trên tạp chí Nature nêu chi tiết mối đe dọa của khí chlorofluorocarbon đối với sự ổn định của tầng ôzôn trong bầu khí quyển trên của trái đất. Tầng ôzôn bảo vệ trái đất khỏi bức xạ mặt trời bằng cách hấp thụ tia cực tím. Khi các phản ứng hóa học làm cạn kiệt lượng ôzôn trong bầu khí quyển phía trên, một “lỗ hổng” có thể đo được hình thành trên Nam Cực và sự gia tăng lượng bức xạ tia cực tím mặt trời - liên quan chặt chẽ đến sự phổ biến của ung thư da - đến bề mặt trái đất. Công việc của Molina và Rowland là công cụ trong việc thông qua Nghị định thư Montreal, một hiệp ước quốc tế được ký kết vào năm 1987 đã bắt đầu thành công việc loại bỏ sản xuất các hóa chất liên quan đến phá hủy ozone.
Molina và Rowland đã chứng minh rằng các nguyên tử clo từ các hóa chất do con người tạo ra có thể xúc tác sự phá hủy ozone trong một quá trình tương tự như quá trình NO làm tăng tốc độ suy giảm ôzôn. Các nguyên tử clo được tạo ra khi chlorocacbon hoặc chlorofluorocarbon—từng được sử dụng rộng rãi làm chất làm lạnh và cánh quạt - bị phân hủy quang hóa bởi ánh sáng cực tím hoặc phản ứng với các gốc hydroxyl. Một cơ chế mẫu được hiển thị ở đây bằng cách sử dụng metyl clorua:
\[CH_3 Cl + OH \longrightarrow Cl +\text { other products }\]
Các gốc clo phá vỡ ôzôn và được tái sinh theo chu trình xúc tác sau:
\ [\ begin {align*}
& Cl + O_3\ longrightarrow ClO + O_2\\ [4pt]
& ClO + O\ longrightarrow Cl + O_2\ end {align*}\ n onumber\] Phản ứng tổng thể:\nonu
mber\]
\(O_3+ O \longrightarrow 2 O_2\)
Một clo đơn nguyên tử duy nhất có thể phá vỡ hàng ngàn phân tử ozone. May mắn thay, phần lớn clo trong khí quyển tồn tại dưới dạng không hoạt động xúc tác Cl 2 và ClONO 2.
Enzyme trong cơ thể con người đóng vai trò là chất xúc tác cho các phản ứng hóa học quan trọng trong quá trình trao đổi chất của tế bào. Do đó, sự thiếu hụt một loại enzyme cụ thể có thể dẫn đến một căn bệnh đe dọa tính mạng. Thiếu hụt G6PD (glucose-6-phosphate dehydrogenase), một tình trạng di truyền dẫn đến thiếu hụt enzyme glucose-6-phosphate dehydrogenase, là sự thiếu hụt enzyme phổ biến nhất ở người. Enzyme này, được thể hiện trong Hình 12.21, là enzym giới hạn tốc độ cho con đường trao đổi chất cung cấp NADPH cho tế bào (Hình). \(\PageIndex{4}\)
Sự gián đoạn trong con đường này có thể dẫn đến giảm glutathione trong các tế bào hồng cầu; một khi tất cả glutathione được tiêu thụ, các enzyme và các protein khác như hemoglobin dễ bị tổn thương. Ví dụ, huyết sắc tố có thể được chuyển hóa thành bilirubin, dẫn đến vàng da, một tình trạng có thể trở nên nghiêm trọng. Những người bị thiếu hụt G6PD phải tránh một số loại thực phẩm và thuốc có chứa hóa chất có thể gây tổn thương các tế bào hồng cầu thiếu glutathione của họ.
Chất xúc tác dị thể
Chất xúc tác không đồng nhất là chất xúc tác có mặt trong một pha khác (thường là chất rắn) so với chất phản ứng. Các chất xúc tác như vậy thường hoạt động bằng cách trang bị một bề mặt hoạt động mà trên đó phản ứng có thể xảy ra. Phản ứng pha khí và lỏng được xúc tác bởi các chất xúc tác dị thể xảy ra trên bề mặt của chất xúc tác chứ không phải trong pha khí hoặc lỏng.
Xúc tác dị thể thường bao gồm các quá trình sau:
- Sự hấp phụ của (các) chất phản ứng lên bề mặt của chất xúc tác
- Kích hoạt (các) chất phản ứng bị hấp phụ
- Phản ứng của (các) chất phản ứng bị hấp phụ
Hình\(\PageIndex{5}\): minh họa các bước của cơ chế phản ứng của các hợp chất có chứa liên kết đôi cacbon-cacbon với hydro trên chất xúc tác niken. Niken là chất xúc tác được sử dụng trong quá trình hydro hóa chất béo và dầu không bão hòa đa (có chứa một số liên kết đôi cacbon-cacbon) để tạo ra chất béo bão hòa và dầu (chỉ chứa các liên kết đơn cacbon-cacbon).
Nhiều sản phẩm hóa học quan trọng được điều chế thông qua các quy trình công nghiệp sử dụng chất xúc tác không đồng nhất, bao gồm amoniac, axit nitric, axit sulfuric và metanol. Các chất xúc tác dị thể cũng được sử dụng trong các bộ chuyển đổi xúc tác được tìm thấy trên hầu hết các ô tô chạy bằng xăng (Hình). \(\PageIndex{6}\)
Các nhà khoa học đã phát triển bộ chuyển đổi xúc tác để giảm lượng khí thải độc hại được tạo ra bằng cách đốt xăng trong động cơ đốt trong. Bằng cách sử dụng một hỗn hợp được lựa chọn cẩn thận của các kim loại có hoạt tính xúc tác, có thể tạo ra sự đốt cháy hoàn toàn tất cả các hợp chất chứa carbon thành carbon dioxide trong khi cũng làm giảm sản lượng nitơ oxit. Điều này đặc biệt ấn tượng khi chúng ta xem xét rằng một bước liên quan đến việc bổ sung nhiều oxy hơn vào phân tử và bước kia liên quan đến việc loại bỏ oxy (Hình\(\PageIndex{6}\)).
Hầu hết các bộ chuyển đổi xúc tác ba chiều hiện đại đều có bề mặt được ngâm tẩm với chất xúc tác platinum-rhodium, xúc tác chuyển đổi oxit nitric thành dinitrogen và oxy cũng như chuyển đổi carbon monoxide và hydrocacbon như octan thành carbon dioxide và hơi nước:
\ [\ begin {align*}
& 2 NO_2 (g)\ longrightarrow N_2 (g) + 2 O_2 (g)\\ [4pt]
& 2 CO (g) + O_2 (g)\ longrightarrow 2 CO_2 (g)\ [4pt]
& 2 C_8 H_ {18} (g) + 25 O_2 (g) longrightarrow 16 CO_2 (g) + 18 H_2 O (g)\ end {align*}\]
Để hiệu quả nhất có thể, hầu hết các bộ chuyển đổi xúc tác được làm nóng trước bằng lò sưởi điện. Điều này đảm bảo rằng các kim loại trong chất xúc tác hoạt động hoàn toàn ngay cả trước khi khí thải ô tô đủ nóng để duy trì nhiệt độ phản ứng thích hợp.
LibreText cung cấp một lời giải thích kỹ lưỡng về cách thức hoạt động của các bộ chuyển đổi xúc tác.
Nghiên cứu về enzym là mối liên hệ quan trọng giữa sinh học và hóa học. Enzyme thường là protein (polypeptit) giúp kiểm soát tốc độ phản ứng hóa học giữa các hợp chất quan trọng về mặt sinh học, đặc biệt là những hợp chất có liên quan đến chuyển hóa tế bào. Các lớp enzym khác nhau thực hiện nhiều chức năng khác nhau, như được trình bày trong Bảng\(\PageIndex{1}\).
| Lớp | Chức năng |
|---|---|
| oxidoreductase | phản ứng oxi hóa khử |
| chuyển giao | chuyển các nhóm chức năng |
| hydrolase | phản ứng thủy phân |
| lyase | loại bỏ nhóm để hình thành liên kết đôi |
| isomerase | đồng phân hóa |
| dây chằng | hình thành liên kết với thủy phân ATP |
Các phân tử enzyme sở hữu một vị trí hoạt động, một phần của phân tử có hình dạng cho phép nó liên kết với một cơ chất cụ thể (một phân tử chất phản ứng), tạo thành phức hợp enzyme-cơ chất làm chất trung gian phản ứng. Có hai mô hình cố gắng giải thích cách trang web hoạt động này hoạt động. Mô hình đơn giản nhất được gọi là giả thuyết khóa và chìa khóa, cho thấy rằng các hình dạng phân tử của vị trí hoạt động và chất nền là bổ sung cho nhau, khớp với nhau như một chìa khóa trong ổ khóa. Mặt khác, giả thuyết phù hợp cảm ứng cho thấy rằng phân tử enzym linh hoạt và thay đổi hình dạng để thích ứng với liên kết với cơ chất. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là vị trí hoạt động của enzym hoàn toàn dễ uốn. Cả mô hình khóa và chìa khóa và mô hình phù hợp cảm ứng đều giải thích thực tế là các enzym chỉ có thể liên kết với các cơ chất cụ thể, vì nói chung một enzym cụ thể chỉ xúc tác một phản ứng cụ thể (Hình). \(\PageIndex{7}\)
Hiệp hội Hóa học Hoàng gia cung cấp một giới thiệu tuyệt vời về enzyme cho học sinh và giáo viên.