Chất xúc tác là yếu tố then chốt giúp tăng tốc độ phản ứng hóa học bằng cách đưa vào một chất hỗ trợ, được gọi là chất xúc tác. Bản chất của chất xúc tác là không bị tiêu hao trong quá trình phản ứng, nhưng lại đóng vai trò quan trọng trong việc giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết. Nói cách khác, chất xúc tác vừa là “bạn đồng hành”, vừa là “người hỗ trợ” đắc lực cho phản ứng hóa học. Một lượng nhỏ chất xúc tác cũng có thể mang lại hiệu quả đáng kể.
Đơn vị đo lường xúc tác theo hệ SI là katal (mol/giây). Trong các phản ứng có enzyme tham gia, đơn vị enzyme thường được ưu tiên sử dụng. Hiệu quả của chất xúc tác có thể được đánh giá bằng số vòng quay (TON) hoặc tần suất quay vòng (TOF), được tính bằng TON trên một đơn vị thời gian nhất định.
Xúc tác đóng vai trò vô cùng quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất. Ước tính có khoảng 90% hóa chất sản xuất trên quy mô thương mại được tổng hợp thông qua các quy trình xúc tác.
Lưu ý rằng, đôi khi thuật ngữ “xúc tác” được sử dụng không chính xác để chỉ các phản ứng mà một chất bị tiêu thụ (ví dụ: thủy phân este có xúc tác bazơ). Theo IUPAC, trong những trường hợp như vậy, nên sử dụng thuật ngữ chất hoạt hóa thay vì chất xúc tác.
Mô hình minh họa chất xúc tác
Mục Lục
Cơ Chế Hoạt Động Của Xúc Tác
Chất xúc tác hoạt động bằng cách cung cấp một trạng thái chuyển tiếp khác cho phản ứng hóa học, với mức năng lượng hoạt hóa thấp hơn đáng kể. Điều này giúp các phân tử chất phản ứng dễ dàng đạt được năng lượng cần thiết để tạo thành sản phẩm. Trong một số trường hợp, xúc tác còn có tác dụng làm giảm nhiệt độ cần thiết để phản ứng xảy ra.
Điều quan trọng cần lưu ý là xúc tác không làm thay đổi cân bằng hóa học, vì nó ảnh hưởng đến cả tốc độ thuận và nghịch của phản ứng. Nói cách khác, hằng số cân bằng và hiệu suất lý thuyết của phản ứng không bị ảnh hưởng bởi chất xúc tác.
Các Ví Dụ Về Chất Xúc Tác
Có rất nhiều loại hóa chất có thể được sử dụng làm chất xúc tác. Trong các phản ứng hóa học liên quan đến nước, chẳng hạn như thủy phân và khử nước, axit proton thường được sử dụng. Các chất rắn như zeolit, alumina, carbon graphit và hạt nano cũng được ứng dụng rộng rãi làm chất xúc tác. Các kim loại chuyển tiếp (ví dụ: niken) thường được sử dụng để xúc tác các phản ứng oxy hóa khử. Các phản ứng tổng hợp hữu cơ có thể được xúc tác bằng các kim loại quý hoặc “kim loại chuyển tiếp muộn” như bạch kim, vàng, paladi, iridi, ruthenium hoặc rhodi.
Phân Loại Chất Xúc Tác
Chất xúc tác được chia thành hai loại chính: chất xúc tác dị thể và chất xúc tác đồng thể. Enzyme, hay chất xúc tác sinh học, có thể được coi là một nhóm riêng biệt hoặc thuộc một trong hai nhóm chính này.
Chất Xúc Tác Dị Thể
Chất xúc tác dị thể là chất tồn tại ở pha khác với các chất phản ứng. Ví dụ, chất xúc tác rắn xúc tác một phản ứng trong hỗn hợp chất lỏng và/hoặc chất khí được gọi là chất xúc tác dị thể. Diện tích bề mặt là một yếu tố quan trọng đối với hoạt động của loại chất xúc tác này.
Chất Xúc Tác Đồng Thể
Chất xúc tác đồng thể tồn tại cùng pha với các chất phản ứng trong phản ứng hóa học. Chất xúc tác cơ kim là một ví dụ điển hình về chất xúc tác đồng thể.
Enzyme (Chất Xúc Tác Sinh Học)
Enzyme là chất xúc tác có thành phần chính là protein. Chúng là một loại chất xúc tác sinh học quan trọng. Enzyme hòa tan là chất xúc tác đồng thể, trong khi enzyme kết màng là chất xúc tác dị thể. Thẩm phân sinh học được sử dụng rộng rãi để tổng hợp thương mại acrylamide và xi-rô ngô có hàm lượng fructose cao.
Các Thuật Ngữ Liên Quan
- Tiền xúc tác (Precatalysts): Là những chất chuyển đổi để trở thành chất xúc tác hoạt động trong một phản ứng hóa học. Có thể có một giai đoạn cảm ứng trong khi tiền xúc tác được kích hoạt để trở thành chất xúc tác thực sự.
- Đồng xúc tác (Co-catalysts) và chất xúc tiến (promoters): Là các chất hỗ trợ hoạt động xúc tác. Khi các chất này được sử dụng, quá trình này được gọi là xúc tác hợp tác.
Chất xúc tác là một lĩnh vực nghiên cứu rộng lớn và đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Việc hiểu rõ về chất xúc tác và cơ chế hoạt động của chúng là rất quan trọng để phát triển các quy trình sản xuất hiệu quả và bền vững hơn.