Đang tải bài học…

AP Chemistry

chất xúc tác

catalyst

Còn gọi: xúc tác · catalysts

Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách giảm năng lượng hoạt hóa, mà không bị tiêu hao vĩnh viễn.

Trong động học hóa học, chất xúc tác đóng vai trò then chốt khi làm tăng tốc độ phản ứng mà bản thân nó không bị biến đổi vĩnh viễn sau khi phản ứng kết thúc. Cơ chế hoạt động của nó nằm ở việc mở ra một con đường phản ứng mới với năng lượng hoạt hóa (activation energy, $E_a$ ) thấp hơn đáng kể so với con đường ban đầu. Nhờ đó, tỉ lệ các phân tử có đủ động năng để vượt qua rào thế năng tăng lên, do đó phản ứng diễn ra nhanh hơn.

Do đó, tùy theo pha tương tác với chất phản ứng, người ta phân biệt xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể. Trong xúc tác đồng thể, chất xúc tác cùng nằm trong một pha với các chất phản ứng, ví dụ như cả hệ đều ở trạng thái khí hoặc dung dịch (solution). Ngược lại, xúc tác dị thể hoạt động trên bề mặt chất rắn khi các chất phản ứng ở thể khí hoặc lỏng, nhờ liên kết tạm thời với bề mặt làm yếu các liên kết cũ trong phân tử để tạo điều kiện cho liên kết mới hình thành.

Hơn nữa, một hệ quả quan trọng cần ghi nhớ là chất xúc tác không làm dịch chuyển vị trí cân bằng (equilibrium) hóa học, mà chỉ giúp hệ đạt tới trạng thái cân bằng nhanh hơn. Điều này có nghĩa là nó tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với mức độ như nhau, vì vậy hằng số cân bằng $K$ không thay đổi. Trong cơ thể sinh vật, các chất xúc tác sinh học đảm nhận vai trò tương tự, điều khiển hàng nghìn phản ứng trao đổi chất ở nhiệt độ bình thường với hiệu suất rất cao.

Ký hiệu

E_a

K

Trực giác: Chất xúc tác giống như một người dẫn đường biết lối tắt xuyên núi — bạn vẫn đến cùng một nơi, nhưng nhanh hơn rất nhiều.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1835Jöns Jakob Berzelius

Thuật ngữ "catalysis" được Jöns Jakob Berzelius (1779–1848) đề xuất năm 1835 để gọi tên chung cho nhóm hiện tượng trong đó một chất làm phản ứng hóa học diễn ra được mà bản thân nó không nằm trong sản phẩm.

Đến đầu thế kỷ 19, giới hóa học đã tích lũy khá nhiều quan sát rời rạc về những chất kỳ lạ: cho chúng vào thì phản ứng chạy, lấy chúng ra thì phản ứng đứng, vậy mà cuối cùng chúng vẫn còn nguyên. Những quan sát ấy chưa có một cái tên chung, nên cũng chưa được nhìn nhận như một hiện tượng thống nhất. Năm 1835, Berzelius đặt cho cả nhóm hiện tượng đó một tên gọi duy nhất, và chính hành động đặt tên này đã biến các mẩu quan sát lẻ tẻ thành một chủ đề nghiên cứu có ranh giới rõ ràng. Từ đó, xúc tác (catalysis) trở thành một lĩnh vực riêng của hóa học.

Thử nghiệm tương tác

Bấm lần lượt các đỉnh: một ngọn đồi cao đổi thành ba đồi thấp, còn hai đầu vẫn đứng yên

Hay hiểu sai

Chất xúc tác không làm dịch chuyển cân bằng và không làm tăng hiệu suất.

Đừng lẫn chất xúc tác với chất trung gian phản ứng (reaction intermediate).

Chất xúc tác không hạ năng lượng hoạt hóa của chính con đường cũ.

Chất xúc tác không đổi $\Delta H$ và cũng không làm phân tử chuyển động nhanh hơn.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Sự phân hủy axit fomic trong môi trường axit sunfuric đặc được đề nghị xảy ra theo ba bước cơ bản sau, tất cả đều diễn ra trong pha lỏng đồng nhất: Bước 1:

\text{HCOOH} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{HCOOH}_2^{+} + \text{HSO}_4^{-}

Bước 2:

\text{HCOOH}_2^{+} \rightarrow \text{HCO}^{+} + \text{H}_2\text{O}

Bước 3:

\text{HCO}^{+} + \text{HSO}_4^{-} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2\text{SO}_4

aViết phương trình tổng cộng của phản ứng.
bChỉ ra chất nào đóng vai trò xúc tác và chất nào là chất trung gian. Giải thích căn cứ.
cNếu bỏ $\text{H}_2\text{SO}_4$ ra khỏi hệ, tốc độ phản ứng và nhiệt phản ứng $\Delta H$ thay đổi ra sao?

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyĐộng học · bài “Xúc tác” — khoá AP Chemistry

Cần trướcnăng lượng hoạt hóa

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

chất trung gian phản ứng (reaction intermediate)reaction intermediate

Khác nhau ở đâuChất xúc tác có mặt từ đầu và được tái tạo sau phản ứng, không xuất hiện trong phương trình tổng. Chất trung gian được sinh ra ở bước trung gian rồi bị tiêu thụ hết, cũng không xuất hiện trong phương trình tổng.

Hay nhầm khiĐề cho cơ chế nhiều bước rồi hỏi chất nào là xúc tác, chất nào là trung gian — cả hai đều không nằm trong phương trình tổng nên dễ nhầm

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 18, 492, 661.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe rất trừu tượng này thật ra mô tả đúng hình ảnh mà Berzelius hình dung. Ông ghép hai từ Hy Lạp: kata nghĩa là "xuống" và lyein nghĩa là "nới lỏng, tháo ra". Ghép lại, chất xúc tác là thứ "tháo lỏng" những ràng buộc đang giữ cho phản ứng không xảy ra, chứ không phải thứ tham gia rồi biến mất trong sản phẩm. Gốc lyein cũng chính là gốc sinh ra từ "analysis" (phân tích) trong tiếng Anh — phân tích cũng là tháo một tổng thể ra thành các phần. Vì vậy, khi gặp chữ catalyst trong đề thi, bạn nên đọc nó theo nghĩa "chất tháo gỡ": nó mở một lối đi dễ hơn cho phản ứng, còn bản thân thì được hoàn lại nguyên vẹn ở cuối.

Bấm lần lượt các đỉnh: một ngọn đồi cao đổi thành ba đồi thấp, còn hai đầu vẫn đứng yên

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Với cơ chế nhiều giai đoạn, gạch chân chất xuất hiện ở vế trái trước rồi vế phải sau.

Tự luận cần ba ý: con đường thay thế, $E_a$ thấp hơn, phần trăm va chạm đủ năng lượng tăng.

Gặp câu hỏi về cân bằng, hãy tự hỏi "thay đổi này có làm đổi $K$ hay $Q$ không" trước khi chọn.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

Bước 1: Cộng ba bước cơ bản lại và gạch bỏ những tiểu phân xuất hiện ở cả hai vế. Vế trái có

\text{HCOOH}

\text{H}_2\text{SO}_4

\text{HCOOH}_2^{+}

\text{HCO}^{+}

\text{HSO}_4^{-}

; vế phải có

\text{HCOOH}_2^{+}

\text{HSO}_4^{-}

\text{HCO}^{+}

\text{H}_2\text{O}

\text{CO}

\text{H}_2\text{SO}_4

. Sau khi triệt tiêu, chỉ còn

\text{HCOOH} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2\text{O}

, đúng là phản ứng phân hủy axit fomic.

2Bước 2: Phân biệt hai vai trò bằng thứ tự xuất hiện. Chất xúc tác bị tiêu thụ ở một bước sớm rồi được tái tạo ở bước sau, nên nó có mặt ở vế trái của bước đầu và vế phải của bước cuối:

\text{H}_2\text{SO}_4

mất đi ở bước 1 và quay trở lại nguyên vẹn ở bước 3. Ngược lại, chất trung gian phản ứng (reaction intermediate) được sinh ra trước rồi mới bị tiêu thụ, tức xuất hiện ở vế phải trước, vế trái sau: đó là

\text{HCOOH}_2^{+}

\text{HSO}_4^{-}

và

\text{HCO}^{+}

3Bước 3: Vì

\text{H}_2\text{SO}_4

và

\text{HCOOH}

cùng ở pha lỏng nên đây là xúc tác đồng thể (homogeneous catalyst). Vai trò của nó là proton hóa nhóm

-\text{OH}

, tạo ra một con đường phản ứng mới có năng lượng hoạt hóa (activation energy) thấp hơn con đường tự phân hủy trực tiếp.

4Bước 4: Khi không có

\text{H}_2\text{SO}_4

, hệ buộc phải đi theo con đường cũ với

E_a

lớn hơn. Theo

k = Ae^{-E_a/RT}

E_a

tăng làm hằng số tốc độ

k

giảm mạnh, nên phản ứng chậm hẳn lại. Tuy nhiên

\Delta H

chỉ phụ thuộc vào mức năng lượng của chất đầu và sản phẩm, mà chất xúc tác không làm thay đổi hai mức đó, nên

\Delta H

giữ nguyên.

Phản ứng tổng cộng là $\text{HCOOH} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2\text{O}$ . Trong cơ chế này $\text{H}_2\text{SO}_4$ là chất xúc tác vì bị tiêu thụ ở bước 1 rồi được tái tạo ở bước 3, còn $\text{HCOOH}_2^{+}$ , $\text{HSO}_4^{-}$ và $\text{HCO}^{+}$ là các chất trung gian vì được tạo ra rồi bị dùng hết trong nội bộ cơ chế. Bỏ $\text{H}_2\text{SO}_4$ đi thì phản ứng chậm đi rất nhiều do phải vượt rào năng lượng cao hơn, nhưng nhiệt phản ứng $\Delta H$ hoàn toàn không đổi.

2Ví dụ 2/2

Amoniac được tổng hợp ở 200 °C trên bề mặt bột osmi theo cân bằng

\text{N}_2(g) + 3\,\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\,\text{NH}_3(g)

, với

\Delta H = -92\ \text{kJ/mol}

. Khi không có osmi, năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận là

335\ \text{kJ/mol}

; khi có bề mặt osmi, giá trị này giảm còn

125\ \text{kJ/mol}

. Cho

R = 8{,}314\ \text{J}\,\text{mol}^{-1}\text{K}^{-1}

aGiả sử thừa số tần số $A$ như nhau, tính tỉ số hằng số tốc độ có xúc tác so với không xúc tác ở 200 °C.
bThêm một lượng bột osmi nữa vào bình có làm tăng lượng $\text{NH}_3$ lúc cân bằng không? Giải thích.
cNêu một thay đổi thực sự làm tăng lượng $\text{NH}_3$ sau khi cân bằng được thiết lập lại.

1Bước 1: Đổi nhiệt độ sang thang Kelvin và lập tỉ số từ phương trình Arrhenius. Ta có

T = 200 + 273 = 473\ \text{K}

và

\frac{k_{\text{cat}}}{k_{\text{uncat}}} = \frac{Ae^{-E_{a,2}/RT}}{Ae^{-E_{a,1}/RT}} = e^{(E_{a,1}-E_{a,2})/RT}.

Vì

A

được giả thiết bằng nhau nên nó triệt tiêu, chỉ còn phần mũ chứa hiệu hai năng lượng hoạt hóa.

2Bước 2: Thay số, nhớ đổi kJ sang J cho khớp đơn vị của

R

E_{a,1}-E_{a,2} = 335 - 125 = 210\ \text{kJ/mol} = 2{,}10\times 10^{5}\ \text{J/mol}

, và

RT = 8{,}314 \times 473 = 3{,}93\times 10^{3}\ \text{J/mol}

. Do đó số mũ bằng

2{,}10\times 10^{5} / 3{,}93\times 10^{3} = 53{,}4

, và

\frac{k_{\text{cat}}}{k_{\text{uncat}}} = e^{53{,}4} \approx 1{,}5\times 10^{23}.

Con số khổng lồ này cho thấy vì sao quá trình công nghiệp bắt buộc phải dùng xúc tác chứ không thể chỉ tăng nhiệt độ.

3Bước 3: Xét ảnh hưởng lên cân bằng. Osmi rắn là xúc tác dị thể (heterogeneous catalyst): nó chỉ mở ra một lối đi có rào năng lượng thấp hơn cho cả chiều thuận lẫn chiều nghịch, nên

k_{\text{thuan}}

và

k_{\text{nghich}}

cùng tăng theo cùng một tỉ lệ. Vì

K = k_{\text{thuan}}/k_{\text{nghich}}

nên

K

không đổi, và lượng

\text{NH}_3

lúc cân bằng cũng không đổi; thêm osmi chỉ giúp hệ đạt cân bằng nhanh hơn.

4Bước 4: Muốn dịch chuyển cân bằng thì phải tác động vào chính điều kiện của hệ. Phản ứng thuận tỏa nhiệt nên hạ nhiệt độ sẽ làm

K

tăng và cân bằng dịch sang phải; ngoài ra, vế trái có 4 mol khí còn vế phải chỉ có 2 mol khí, nên nén hệ để tăng áp suất cũng đẩy cân bằng về phía tạo ít phân tử khí hơn, tức phía

\text{NH}_3

Ở 200 °C, bề mặt osmi làm hằng số tốc độ tăng khoảng $1{,}5\times 10^{23}$ lần, nhưng nó không hề làm tăng hiệu suất $\text{NH}_3$ lúc cân bằng vì tăng đều cả hai chiều và giữ nguyên $K$ . Để thu được nhiều $\text{NH}_3$ hơn, phải hạ nhiệt độ (phản ứng tỏa nhiệt) hoặc tăng áp suất bằng cách giảm thể tích bình, vì vế sản phẩm có số mol khí nhỏ hơn.

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.