Bài giảng Hóa kỹ thuật môi trường - Chương 3: Động học và xúc tác giúp sinh viên hiểu được thế nào là tốc độ phản ứng, xúc tác; các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, vận dụng để áp dụng trong kỹ thuật môi trường. Đây là tài liệu tham khảo dành cho sinh viên Môi trường.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: 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 Mục tiêu:
v Hiểu thế nào là tốc độ phản ứng, xúc tác.
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
Giảng viên:
ThS Lê Nguyễn Kim Cương
LOGO
ThS Nguyễn Văn Phương 1
2
NỘI DUNG CHƯƠNG 3 3.1. ĐỘNG HỌC
Vận tốc phản ứng được đo bằng độ biến thiên
của nồng độ trên 1 đơn vị thời gian.
3.1 ĐỘNG HỌC Ví dụ: A + B = AB
3.2 CHẤT XÚC TÁC v Tốc độ phản ứng tại mỗi thời điểm t nào đó sẽ là:
3.3 PHẢN ỨNG XÚC TÁC CỦA ĐỒNG THỂ V = k [A].[B]
3.4 PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ v Trong đó:
k: hệ số tỷ lệ hoặc hằng số tốc độ phản ứng
3.5 CÁC XÚC TÁC THƯỜNG DÙNG TRONG
[A], [B]: nồng độ phân tử chất A và B
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
1
- Hằng số K
Trường hợp tổng quát:
Hằng số tốc độ k có ý nghĩa vật lý xác
mA + nB = AmBn định. Nó bằng vận tốc của phản ứng hóa
học khi nồng độ của mỗi chất tham gia phản
v Vận tốc phản ứng sẽ là: V = k [A]m.[B]n
ứng bằng đơn vị, có nghĩa bằng 1 mol/l hoặc
v m, n: hệ số tỷ lượng của các chất tham gia khi tích của những 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 tăng nhiệt độ, vận tốc của phản ứng
Như vậy tốc độ của phản ứng hóa học ở tăng.
nhiệt độ không đổi thì tỷ lệ thuận với tích số
nồng độ của các chất tham gia phản ứng, vBằng thực nghiệm người ta đã chứng minh
nồng độ mỗi chất được lũy thừa bằng các hệ được rằng: “khi nhiệt độ tăng lên 100C thì
số tỷ lượng của các chất trong phương trình vận tốc tăng lên khoảng 2 đến bốn lần”.
phản ứng. Đó là quy tắc của Vant-Hoff.
2
- 3.1.2. Định luật tác dụng khối lượng,
3.1.1.3. Ảnh hưởng của chất xúc tác
tích số tan – định luật phân bố
Chất xúc tác là chất khi có mặt trong môi 3.1.2.1. Định luật tác dụng khối lượng
trường phản ứng: A+B⇌C+D
§ Làm thay đổi vận tốc phản ứng (tăng V1 = k1 [A].[B]
hoặc giảm) hoặc có tác dụng làm kích V2 = k2 [C].[D]
thích phản ứng.
v Ở trạng thái cân bằng: V1 = V2
§ Sau khi phản ứng kết thúc, chất xúc tác
Do đó: k1 [A].[B] = k2 [C].[D]
vẫn không thay đổi về lượng hoặc về
mặt lý, hóa học. k1 [C ] .[ D ]
= = k , k là hằng số cân bằng
k 2 [ A] .[ B ]
10
3.1.2.1. Định luật tác dụng khối lượng
vDạng tổng quát có thể biểu diễn:
aA + bB ⇌ cC + dD “Đối với một phản ứng thuận nghịch ở trạng
thái cân bằng hoá học tỷ số giữa tích nồng độ
các sản phẩm thu được và nồng độ các chất
[C] .[ D]
c d
⇒k = tham gia phản ứng với nhiệt độ cho trước là một
[ A] [ B]
a b
hằng số và nồng độ của mỗi chất được lũy thừa
hằng số tỷ lệ tương ứng”.
đó là nội dung của định luật tác dụng khối
lượng.
3
- 3.1.2.2. Tích số tan 3.1.2.3. Định luật phân bố
Tích số tan là đại lượng đặc trưng cho tính
tan của chất điện li khó tan. v “Tỷ số giữa nồng độ của một chất trong
hai chất lỏng không hòa trộn lẫn nhau ở một
Xét dung dịch bão hòa của muối ít tan AgCl:
nhiệt độ xác định là một hằng số không phụ
AgCl ⇌ Ag+ + Cl-
thuộc vào số lượng tuyệt đối hoặc tương đối
Ag + Cl −
k= của chất đó ở trong các dung môi”.
[ AgCl ]
v Trong kỹ thuật xử lý nước thải quá trình
Trong đó: [AgCl] nồng độ AgCl đã hòa tan
tách chất tan nhờ một dung môi khác gọi là
[Ag+].[Cl-] = k.[AgCl] = Tt
Tích nồng độ ion trong dung dịch bão hòa của chất
quá trình trích ly.
điện li ở một nhiệt độ thích hợp là một hằng số. Hằng số đó
được gọi là “tích số tan của chất đó”.
13
3.2. CHẤT XÚC TÁC
3.2.1. Khái niệm
Sự xúc tác: hiện tượng biến đổi tốc độ
phản ứng hóa học hay kích động chúng do
những chất mà cuối cùng vẫn được phục
hồi. Chất được thêm vào gọi là chất xúc tác.
16
4
- 3.2.2. Phân loại quá trình xúc tác
v Những chất xúc tác làm tăng tốc độ
q Quá trình xúc tác đồng thể: Là quá trình
phản ứng được gọi là chất xúc tác dương.
diễn ra mà tất cả chất phản ứng và xúc tác
Ngược lại, gọi là chất ức chế (inhibitor) ở cùng pha với nhau.
hay chất xúc tác âm.
v Có trường hợp chất xúc tác được hình q Quá trình xúc tác dị thể:
thành trong thời gian phản ứng. Đó là phản Chất xúc tác và chất phản ứng ở khác
ứng tự xúc tác. pha nhau và phản ứng xúc tác diễn ra trên
bề mặt phân chia pha.
3.2.3. Đặc tính chung về tác dụng của xúc
Hình 3.1. Ảnh hưởng của chất xúc tác
tác
3.2.3.1. S ự tương tác c ủa chất xúc tác v ới chất phản ứ ng
làm gi ảm năng l ượng hoạt động c ủa phản ứ ng.
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.
5
- THUYẾT VA CHẠM HOẠT ĐỘNG THUYẾT VA CHẠM HOẠT ĐỘNG
Sự định hướng không gian giữa các tiểu phân va chạm
Tiểu phân hoạt động – là tiểu phân có E ≥ E + E*
cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.
Chỉ có va chạm
E
I- + CH3 –Br → I……. CH3…….Br →I_ CH3 +Br-
giữa các tiểu phân Chất phản ứng Phức chất hoạt động Sản phẩm
hoạt động mới tạo
phản ứng. Định hướng không thuận lợi Định hướng thuận lợi
E*
E* ↓→ số tiểu phân
hoạt động ↑→ v↑.
EOS
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
Theo Oswald, chất xúc tác lý tưởng là vTính chất chọn lọc được đặc trưng bởi:
những chất mà thực tế chỉ tăng tốc độ cho một - Sự lựa chọn của chất phản ứng xác
phản ứng đặc biệt khi bên cạnh có nhiều phản định.
ứng song song. Những phản ứng đó phải là - Tác dụng có định hướng bởi những
nhóm xác định (tính chất chọn lọc nhóm
thuận nghịch tại quá trình xảy ra đó, bởi vậy hay chọn lọc tác dụng) của chất xúc tác.
các chất xúc tác lý tưởng phải hoàn toàn giải - Ví dụ: xem giáo trình.
phóng sau khi phản ứng kết thúc.
23
6
- 3.2.3.3. Sự khuếch tán Quá trình phản ứng xúc tác dị thể
được phân thành 5 giai đoạn:
Trong xúc tác dị thể: xảy ra qua 5 giai
đoạn: Chuyển đến bề mặt xúc tác, hấp phụ,
phản ứng, chuyển ra khỏi bề mặt, giải
phóng sản phẩm
Khuếch tán ngoài chuyển chất đến bề I. Chuyển chất đến bề mặt phân chia pha.
mặt xúc tác, khuếch tán trong chuyển chất II. Hấp phụ ít nhất 1 trong những chất phản
ứng.
đến bề mặt trong thực hiện nhờ sự khuếch
tán dọc theo mao quản. Phản ứng diễn ra III. Phản ứng hoá học trên bề mặt.
tiếp theo sau sự khuếch tán. IV. Giải hấp phụ các sản phẩm phản ứng.
V. Chuyển sản phẩm ra khỏi bề mặt.
Khuếch tán ngoài
v Phản ứng hoá học
v Nếu k >> β thì K = β có nghiã
Sự chuyển hoá vật chất dưới ảnh hưởng là tốc độ phản ứng xác định bằng k ×β
của chất xúc tác là phản ứng bậc nhất. k=
sự khuếch tán (khuếch tán khống k+β
Whh = k.S.Cbm chế). Đó là quá trình dẫn vào miền
khuếch tán ngoài.
v Khuếch tán
Sự khuếch tán được mô tả bằng p. trình
v Nếu phản ứng diễn ra chậm, k
Frick: dD d
= −S * D * c
- Khuếch tán trong 3.2.3.4. Sự hấp phụ hoạt hoá
v Quá trình diễn ra trong miền động học Đọc tài liệu
trong.
v Khuếch tán trong khống chế quá trình.
3.2.3.5. Quan hệ giữa sự xúc tác 3.2.3.6. Ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài
và cân bằng nhiệt động học lên sự xúc tác
Xúc tác v Nhiệt độ
không tự gây v Áp suất
nên phản ứng, v Tốc độ thể tích, thời gian lưu giữ chất
không làm dịch phản ứng trên bề mặt xúc tác.
chuyển cân v Dung môi.
bằng mà chỉ có
tác dụng rút
ngắn thời gian
đạt cân bằng.
8
- 3.3. PHẢN ỨNG XÚC TÁC CỦA ĐỒNG THỂ Ví dụ xúc tác đồng thể
v Xúc tác đồng thể là chất xúc tác cùng pha với các chất
tham gia phản ứng v 2H2O2(dd) → 2H2O(l) + O2(k) rất chậm
v Phản ứng xúc tác đồng thể chỉ xảy ra trong pha khí và v Khi có mặt ion Br- thì pư diễn ra rất nhanh:
pha lỏng; không có xúc tác đồng thể trong pha rắn. 2Br-(dd) + H2O2(dd) + 2H+(dd) → Br2(l) + 2H2O(l).
Phân ra thành các loại:
v Phản ứng xúc tác axit – bazơ (các axit và bazơ có tác Br2(l) màu nâu.
dụng xúc tác). Br2(l) + H2O2(aq) → 2Br-(aq) + 2H+(aq) + O2(k).
v Phản ứng xúc tác oxy hoá – khử (xúc tác là hợp chất
của kim loại có hoá trị thay đổi). Br- là xúc tác vì nó được hoàn trả lại ở giai đoạn cuối
v Phản ứng xúc tác phức (xúc tác là phức chất của kim của phản ứng
loại chuyển tiếp).
v Phản ứng xúc tác đồng thể trong pha khí: xúc tác bởi
các khí hoạt động NO2, Br2,… men.
Catalysis 3.4. PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ
Phản ứng xúc tác dị thể là phản ứng mà trong đó chất
xúc tác và chất phản ứng là hai pha khác nhau, và phản ứng
xảy ra trên bề mặt phân chia giữa 2 pha.
Có thể chia thành các phản ứng xúc tác dị thể sau:
35
9
- Cơ chế xúc tác dị thể
Hiện nay trong kỹ thuật cũng như trong phòng thí
nghiệm ta thường gặp chất phản ứng là khí và chất
xúc tác là rắn. Nhiều pư được xúc tác
trên những bề mặt của
Ví dụ: phản ứng tổng hợp Vinyl clorua (VCM) chất rắn thích hợp .
EOS
Tại sao chuyển từ đồng thể sang dị thể:
Xúc tác dị thể có 3 lý do chính
• Quá trình đồng thể tiến hành không liên
tục nên năng suất thiết bị kém.Quá trình dị
thể tiến hành phản ứng liên tục, năng suất
thiết bị cao hơn hẳn, dễ dàng tự động hóa.
• Quá trình dị thể thu hồi xúc tác dễ hơn
nhiều so với quá trình đồng thể
• Năng lượng hoạt hóa cho quá trình dị thể
bé hơn năng lượng hoạt hóa cho quá trình
đồng thể, do đó vận tốc phản ứng dị thể
nhanh hơn.
10
- B ảng so sánh năng lượng hoạt hóa của phản ứ ng dị thể
(E dị thể) với năng lượng hoạt hóa cũng của phản ứ ng đó tiến
Đọc tài liệu
hành trong môi trường đồng thể (E đồng thể):
3.4.1. Trung tâm hoạt động của xúc tác dị
thể
3.4.2. Thuyết các trung tâm hoạt động của
Taylor
3.4.3. Thuyết đa vị của Balanđin
3.4.4. Thuyết điện tử do Roginski s.z,
Volkenstein F.F và nnk phát hiện
2.4.4. Thuyết trung tâm hoạt động của Taylor 2.4.5. Thuyết đa vị của Balandin
11
- 3.5. CÁC XÚC TÁC THƯỜNG DÙNG
2.4.6. Thuyết điện tử TRONG KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
{Tác dụng xúc tác có liên quan đến công
3.5.1. Phân loại xúc tác
thoát điện tử khỏi bề mặt tiếp xúc cũng như
3.5.2. Xúc tác Zeolit
với sự tồn tại cấu trúc lớp d của các nguyên
3.5.3. Xúc tác rắn
tử chưa hoàn chỉnh.
3.5.4. Ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài
{ Có thể giả định rằng cơ chế tương tác cơ
lên sự xúc tác
bản của nhiều quá trình xúc tác dị thể trên
trung tâm hoạt động của bề mặt tiếp xúc liên
hệ với sự trao đổi điện tử giữa các chất phản
ứng và xúc tác.
3.5.1. Phân loại xúc tác 3.5.2. Xúc tác Zeolit
vCác axít mạnh. v Xúc tác zeolit là một loại xúc tác
vXúc tác bazơ. aluminosilicat được dùng nhiều trong các
phản ứng hữu cơ và vô cơ.
vXúc tác tạo phức.
v Zeolit bền nhiệt, bền với chất độc, bề
mặt riêng lớn (∼ 800m2/g) bền cơ và có khả
năng trao đổi ion cao.
12
- 3.5.3. Xúc tác rắn
Xúc tác rắn gồm cả chất mang. Chất
mang không có tác dụng xúc tác, nó làm
nền để phân bố các phần tử hoạt động xúc
tác và các thành phần khác lên. Chất mang
có tác dụng tạo cấu trúc xốp, có vai trò làm
bền pha hoạt động xúc tác và nhiều tác
dụng khác.
13
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
