Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường chương 3: ThS. Lê Nguyễn Kim Cương

Chương 3: ĐỘNG HỌC VÀ XÚC TÁC

TÊN MÔN HỌC: HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

v Hiểu thế nào là tốc độ phản ứng, xúc tác.

Mục tiêu:

CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC VÀ XÚC TÁC

v Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

v Vận dụng để áp dụng trong kỹ thuật môi trường

1

Giảng viên: ThS Lê Nguyễn Kim Cương LOGO ThS Nguyễn Văn Phương

2

Vận tốc phản ứng được đo bằng độ biến thiên

của nồng độ trên 1 đơn vị thời gian.

Ví dụ:

3.1. ĐỘNG HỌC NỘI DUNG CHƯƠNG 3

A + B = AB

v Tốc độ phản ứng tại mỗi thời điểm t nào đó sẽ là:

3.1 ĐỘNG HỌC 3.2 CHẤT XÚC TÁC

V = k [A].[B]

3.3 PHẢN ỨNG XÚC TÁC CỦA ĐỒNG THỂ

v Trong đó:

3.4 PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

3.5 CÁC XÚC TÁC THƯỜNG DÙNG TRONG

k: hệ số tỷ lệ hoặc hằng số tốc độ phản ứng [A], [B]: nồng độ phân tử chất A và B

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hằng số K

Trường hợp tổngquát: Hằng số tốc độ kcóýngh

ĩa vậtlýxác định.Nó b ằng vận tốc củaph ản ứnghóa mA + nB = AmBn

v Vận tốcph ản ứng sẽ là: V=k[A] m.[B]n

v m,n: h ệ số tỷ lượng củacácch ấtthamgia họckhi n ồng độ của mỗich ấtthamgiaph ản ứng bằng đơn vị,cóngh ĩa bằng1mol/lho ặc khitích c ủanh ững đơn vị đó bằng nồng độ.

phản ứng.

3.1.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ 3.1.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ

vKhi tăngnhi ệt độ, vận tốc củaph ản ứng tăng.

vBằngth ựcnghi ệmng ườita đãch ứngminh được rằng:“khinhi ệt độ tănglên10 0Cthì vận tốc tănglênkho ảng 2 đến bốn lần”. Đólàquy t ắc củaVant-Hoff. Như vậy tốc độ củaph ản ứnghóa h ọc ở nhiệt độ không đổithì t ỷ lệ thuận vớitích s ố nồng độ củacácch ấtthamgiaph ản ứng, nồng độ mỗich ất được lũyth ừa bằngcác h ệ số tỷ lượng củacácch ấttrongph ươngtrình phản ứng.

3.1.1.3. Ảnh hưởng của chất xúc tác 3.1.2. Định luật tác dụng khối lượng, tích số tan – định luật phân bố

3.1.2.1. Định luật tác dụng khối lượng Chấtxúctáclàch ấtkhicó m ặttrongmôi trườngph ản ứng:

C + D A + B V1 = k1 [A].[B] ⇌ V2 = k2 [C].[D] § Làmthay đổi vận tốcph ản ứng(t ăng hoặcgi ảm)ho ặccótác d ụnglàmkích thíchph ản ứng.

§ Saukhiph ản ứng kếtthúc,ch ấtxúctác v Ở trạngtháicân b ằng: V1 = V2 Do đó: k1 [A].[B] = k2 [C].[D] đổi về lượngho ặc về vẫnkhôngthay mặtlý,hóa h ọc. , k là hằng số cân bằng

] [ ] [ C D . k = 1 ] ] [ [ kA B . 2

10

3.1.2.1. Định luật tác dụng khối lượng

vDạng tổng quát có thể biểu diễn:

(cid:222) = k

aA + bB ⇌ cC + dD

[ ] ] [ .c C D ] [ ] [ a A B

“Đối với mộtph ản ứngthu ậnngh ịch ở trạng tháicân b ằnghoá h ọc tỷ số giữatích n ồng độ các sảnph ẩmthu đượcvà n ồng độ cácch ất thamgiaph ản ứng vớinhi ệt độ chotr ướclà m ột hằng số và nồng độ của mỗich ất được lũyth ừa hằng số tỷ lệ tương ứng”.

đó là nội dung của định luật tác dụng khối lượng.

3.1.2.3. Định luật phân bố 3.1.2.2. Tích số tan

Xét dung dịch bão hòa của muối ít tan AgCl:

AgCl

Ag+ + Cl-

Tích số tanlà đại lượng đặctr ưngchotính tan củach ất điệnlikhótan.

]

+ AgCl ⇌ [ AgCl

Trong đó: [AgCl] nồng độ AgCl đã hòa tan

- Ø ø Ø ø º ß º ß

[Ag+].[Cl-] = k.[AgCl] = Tt Tích nồng độ iontrongdung d ịchbãohòa c ủach ất điệnli ở mộtnhi ệt độ thích hợplà m ột hằng số. Hằng số đó được gọilà“tích s ố tan củach ất đó”.

v “Tỷ số giữa nồng độ của mộtch ấttrong haich ất lỏngkhônghòatr ộn lẫnnhau ở một nhiệt độ xác địnhlà m ột hằng số khôngph ụ thuộcvào s ố lượngtuy ệt đốiho ặc tương đối củach ất đó ở trongcácdungmôi”. v Trong kỹ thuật xử lý nướcth ảiquátrình táchch ấttannh ờ mộtdungmôikhác g ọilà quátrìnhtríchly.

13 3.2. CHẤT XÚC TÁC

3.2.1. Khái niệm

Sự xúctác:hi ện tượngbi ến đổi tốc độ

phản ứnghóa h ọchaykích độngchúngdo nhữngch ấtmàcu ốicùng v ẫn đượcph ục hồi.Ch ất đượcthêmvào g ọilàch ấtxúctác.

3.2.2. Phân loại quá trình xúc tác

ăng tốc độ v Nhữngch ấtxúctáclàm t phản ứng được gọilà chấtxúctác d ương.

q Quátrìnhxúctác đồngth ể: Làquátrình diễnramà t ất cả chấtph ản ứngvàxúctác ở cùngpha v ớinhau. Ngược lại, gọilà chất ứcch ế (inhibitor) haych ấtxúctácâm.

q Quátrìnhxúctác d ị thể:

Chấtxúctácvàch ấtph ản ứng ở khác v Cótr ường hợpch ấtxúctác đượchình thànhtrongth ờigianph ản ứng. Đólà phản ứng tự xúctác .

phanhauvàph ản ứngxúctácdi ễnratrên bề mặtphânchiapha.

Hình 3.1. Ảnh hưởng của chất xúc tác 3.2.3. Đặc tính chung về tác dụng của xúc tác

3.2.3.1. Sự tương tác của chất xúc tác với chất phản ứng làm giảm năng lượng hoạt động của phản ứng.

v Phản ứng xúc tác đồng thể:

Tần số va chạm của phân tử. Entropy hoạt hóa. Sự định hướng của va chạm. v Phản ứng xúc tác dị thể:

Entropy hoạt hóa. Số lượng các trung tâm hoạt động dẫn đến phản ứng.

THUYẾT VA CHẠM HOẠT ĐỘNG THUYẾT VA CHẠM HOẠT ĐỘNG

Tiểu phân hoạt động –là ti ểu phân có E ‡ E + E*

Sự định hướng không gian giữa các tiểu phân va chạm cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

I- + CH3 –Br → I……. CH3

…….Br →I_ CH3 +Br-

Chất phản ứng

Phức chất hoạt động

Sản phẩm

Chỉ có va chạm giữa các tiểu phân hoạt động mới tạo phản ứng.

Định hướng không thuận lợi

Định hướng thuận lợi

E*

E* ↓→ số tiểu phân hoạt động ↑→ v↑.

EOS

21

22

3.2.3.2. Tính chất chọn lọc của chất xúc tác 3.2.3.2. Tính chất chọn lọc của chất xúc tác

TheoOswald,ch ấtxúctáclý t ưởnglà

vTínhch ấtch ọn lọc được đặctr ưng bởi: - Sự lựach ọn củach ấtph ản ứngxác định.

-Tác d ụngcó

định hướng bởinh ững nhómxác định(tínhch ấtch ọn lọcnhóm haych ọn lọctác d ụng) củach ấtxúctác.

-Ví d ụ:xemgiáotrình. nhữngch ấtmàth ực tế chỉ tăng tốc độ cho một phản ứng đặcbi ệt khibên c ạnhcónhi ềuph ản ứngsongsong.Nh ữngph ản ứng đóph ảilà thuậnngh ịch tạiquátrình x ảyra đó, bởi vậy cácch ấtxúctáclý t ưởngph ải hoàntoàngi ải phóngsaukhiph ản ứng kếtthúc .

23

3.2.3.3. Sự khuếch tán Quá trình phản ứng xúc tác dị thể được phân thành 5 giai đoạn:

Trongxúctác d ị thể: xảyraqua5giai đoạn:Chuy ển đến bề mặtxúctác, h ấpph ụ, phản ứng,chuy ểnrakh ỏi bề mặt,gi ải phóng sảnph ẩm

I. Chuyểnch ất đến bề mặtphânchiapha. II. Hấpph ụ ítnh ất1trongnh ữngch ấtph ản

Khuếchtánngoàichuy

ứng.

III. Phản ứnghoá h ọctrên b ề mặt. IV. Giải hấpph ụ các sảnph ẩmph ản ứng. V. Chuyển sảnph ẩmrakh ỏi bề mặt.

ểnch ất đến bề mặtxúctác,khu ếchtántrongchuy ểnch ất đến bề mặttrongth ựchi ệnnh ờ sự khuếch tán dọctheomaoqu ản.Ph ản ứngdi ễnra tiếptheosau s ự khuếchtán.

Khuếch tán ngoài

v Phản ứng hoá học

k k

b b

· Sự chuyển hoá vật chất dưới ảnh hưởng của chất xúc tác là phản ứng bậc nhất.

Whh = k.S.Cbm v Nếuk>> b thìK = b cónghiã là tốc độ phản ứngxác định bằng sự khuếchtán(khu ếchtánkh ống chế). Đólàquátrình d ẫnvàomi ền khuếchtánngoài. v Khuếch tán

*D*S

d D d

d d

D S d

Sự khuếch tán được mô tả bằng p. trình Frick: ·

)

( C

( Cβ

W kt

d d

DS δ

ễn - - v Nếuph ản ứngdi ễnrach ậm, k << b thìK=k t ứclà t ốc độ phản ứngxác định sự chuyểnhoáhoá họcvàng ườitanóiquátrìnhdi ratrongmi ền động họcngoài.

3.2.3.4. Sự hấp phụ hoạt hoá Khuếch tán trong

Đọc tài liệu v Quátrìnhdi ễnratrongmi ền động học

trong.

v Khuếchtántrongkh ốngch ế quátrình.

3.2.3.5. Quan hệ giữa sự xúc tác và cân bằng nhiệt động học 3.2.3.6. Ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên sự xúc tác

Xúc

v Nhiệt độ v Áp suất v Tốc độ thể tích, thời gian lưu giữ chất phản ứng trên bề mặt xúc tác. v Dung môi.

tác không tự gây nênph ản ứng, khônglàm d ịch chuyển cân bằng màch ỉ có tác rút dụng ngắnth ờigian đạtcân b ằng.

3.3. PHẢN ỨNG XÚC TÁC CỦA ĐỒNG THỂ

2H2O(l) + O2(k) rất chậm

v 2H2O2(dd) ﬁ v Khi có mặt ion Br- thì pư diễn ra rất nhanh:

v Xúc tác đồng thể là chất xúc tác cùng pha với các chất tham gia phản ứng v Phản ứng xúc tác đồng thể chỉ xảy ra trong pha khí và pha lỏng; không có xúc tác đồng thể trong pha rắn.

2Br-(dd) + H2O2(dd) + 2H+(dd) ﬁ Br2(l)+ 2H 2O(l).

Phân ra thành các loại:

Br2(l) màu nâu. 2Br-(aq) + 2H+(aq) + O2(k).

Br2(l) + H2O2(aq) ﬁ Br- là xúc tác vì nó được hoàn trả lại ở giai đoạn cuối

của phản ứng

v Phản ứng xúc tác axit –baz ơ (các axit và bazơ có tác dụng xúc tác). v Phản ứng xúc tác oxy hoá –kh ử (xúc tác là hợp chất của kim loại có hoá trị thay đổi). v Phản ứng xúc tác phức (xúc tác là phức chất của kim loại chuyển tiếp). v Phản ứng xúc tác đồng thể trong pha khí: xúc tác bởi các khí hoạt động NO2, Br2,… men.

Ví dụ xúc tác đồng thể

3.4. PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

Catalysis Catalysis

Phản ứngxúctác d ị thể làph ản ứngmàtrong đóch ất ản ứng

xúctácvàch ấtph ản ứnglàhaiphakhácnhau,vàph xảyratrên b ề mặtphânchiagi ữa2pha.

Cóth ể chiathànhcácph ản ứngxúctác d ị thể sau:

35

Hiệnnaytrong k ỹ thuật cũngnh ư trongphòngthí

ất

nghiệmtath ường gặpch ấtph ản ứnglàkhívàch xúctáclà r ắn.

Nhiều pư được xúc tác trên những bề mặt của chất rắn thích hợp .

Ví dụ:ph ản ứng tổng hợpVinylclorua(VCM)

EOS

Cơ chế xúc tác dị thể

Xúc tác dị thể Xúc tác dị thể

Tại sao chuyển từ đồng thể sang dị thể: có 3 lý do chính

•Quátrình đồngth ể tiếnhànhkhôngliên

tụcnên n ăngsu ấtthi ết bị kém.Quátrình d ị thể tiếnhànhph ản ứngliên t ục, năngsu ất thiết bị cao hơn hẳn, dễ dàng tựđộ nghóa. •Quátrình d ị thể thu hồixúctác d ễ hơn nhiềuso v ớiquátrình đồngth ể ị thể

thể • Năng lượngho ạthóachoquátrình d bé hơn năng lượngho ạthóachoquátrình đồngth ể,do đó vận tốcph ản ứng dị nhanh hơn.

Đọc tài liệu

Bảng so sánh năng lượng hoạt hóa của phản ứng dị thể (Edị thể) với năng lượng hoạt hóa cũng của phản ứng đó tiến hành trong môi trường đồng thể (Eđồng thể):

3.4.1.Trungtâmho ạt động củaxúctác d ị thể

3.4.2.Thuy ếtcáctrungtâmho ạt động của Taylor

3.4.3.Thuy ết đa vị củaBalan đin 3.4.4.Thuy ết điện tử doRoginskis.z, VolkensteinF.Fvànnkpháthi ện

2.4.4. Thuyết trung tâm hoạt động của Taylor 2.4.5. Thuyết đa vị của Balandin

2.4.6. Thuyết điện tử

3.5. CÁC XÚC TÁC THƯỜNG DÙNG TRONG KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

3.5.1. Phân loại xúc tác 3.5.2. Xúc tác Zeolit 3.5.3. Xúc tác rắn 3.5.4. Ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên sự xúc tác

{Tác dụngxúctáccóliênquan đếncông thoát điện tử khỏi bề mặtti ếpxúc c ũngnh ư với sự tồn tại cấutrúc l ớp d củacácnguyên tử chưahoànch ỉnh. { Cóth ể giảđị nh rằng cơ chế tươngtác c ơ bản củanhi ềuquátrìnhxúctác d ị thể trên trungtâmho ạt động của bề mặtti ếpxúcliên hệ với sự trao đổi điện tử giữacácch ấtph ản ứngvàxúctác.

vCác axít mạnh.

3.5.2. Xúc tác Zeolit 3.5.1. Phân loại xúc tác

vXúc tác bazơ.

vXúc tác tạo phức.

ộtlo ạixúctác ềutrongcác v Xúctáczeolitlà m aluminosilicat đượcdùngnhi phản ứng hữu cơ vàvô c ơ.

v Zeolit bềnnhi ệt, bền vớich ất độc, bề mặtriêng l ớn (~ 800m2/g) bền cơ vàcókh ả năngtrao đổiioncao.

3.5.3. Xúc tác rắn

Xúctác r ắn gồm cả chấtmang.Ch ất ụngxúctác,nólàm

ềutác mangkhôngcótác d nền để phân bố cácph ần tử hoạt độngxúc tácvàcácthànhph ầnkháclên.Ch ấtmang cótác d ụng tạo cấutrúc x ốp,cóvaitròlàm bềnphaho ạt độngxúctácvànhi dụngkhác.