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. Đối với phản ứng xúc tác dị thể việc chuyển chất tham gia phản ứng từ pha khí hay lỏng đến miền phản ứng đóng vai trò rất quan trọng. Hoạt tính của chất xúc tác phụ thuộc vào độ lớn, tính chất của bề mặt, cấu tạo và trạng thái của nó. Các hiện tượng này có quan hệ mật thiết với hiện tượng bề mặt, quá trình khuếch tán và hấp phụ. Phản ứng xảy ra trên bề mặt phân chia giữa 2 pha.

1 04/13/2024

I.PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

1 KHÁI NIỆM

Phản ứng xúc tác dị thể là phản ứng mà trong đó chất xúc

tác và chất phản ứng là hai pha khác nhau Phản ứng xảy

ra trên bề mặt phân chia giữa 2 pha.

Đối với phản ứng xúc tác dị thể việc chuyển

chất tham gia phản ứng từ pha khí hay lỏng đến

miền phản ứng đóng vai trò rất quan trọng

Hoạt tính của chất xúc tác phụ thuộc vào độ

lớn, tính chất của bề mặt, cấu tạo và trạng thái

của nó.

Các hiện tượng này có quan hệ mật thiết với

hiện tượng bề mặt, quá trình khuếch tán và hấp

phụ.

I.PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

I.PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

 Công nghệ xúc tác dị thể có thể tiến hành liên tục, nên năng

suất thiết bị cao hơn so với phản ứng xúc tác đồng thể

 Có thể tự động hóa được công nghệ

 Vấn đề tách xúc tác và sản phẩm dễ dàng

 Năng lượng hoạt hóa của phản ứng xúc tác dị thể thường nhỏ

hơn năng lượng hoạt hóa của xúc tác đồng thể

2 ƯU ĐIỂM SO VỚI XÚC TÁC ĐỒNG THỂ:

I.PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

 Tính chất nhiều giai đoạn

 Chất xúc tác có ái lực đối với một hoặc một số chất phản

ứng

 Hợp chất trung gian (phức chất hoạt động) được tạo thành

cần dễ dàng tương tác với chất khác hoặc phân hủy thành

sản phẩm và chuẩn bị để xúc tác tiếp tục tác dụng

3 NÉT ĐẶC TRƯNG CỦA XÚC TÁC DỊ THỂ:

I.PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

 Đối với phản ứng xúc tác dị thể, có nảy sinh sự phức tạp khi

có thêm lượng khuếch tán

 Với từng xúc tác khác nhau có đặc trưng khác nhau, song

đều thấy rõ E khi có xúc tác dị thể giảm rõ rệt hơn so với E

đồng thể không xúc tác

4 NĂNG LƯỢNG HOẠT HÓA:

9

I.PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

I.PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

5 CƠ CHẾ PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ:

a Xúc tác oxi hóa khử

 Sử dụng cho các quá trình oxi hóa khử, hydro hóa, dehydro

hóa, phân hủy các chất có chứa Oxi

 Xúc tác là những chất có điện tử tự do dễ bị kích động, như các

kim loại và chất bán dẫn

Đặc trưng của tương tác: có sự di chuyển điện tử từ chất

xúc tác đến chất phản ứng và ngược lại

I.PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

5 CƠ CHẾ PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ:

Cơ sở là sự tồn tại của hợp chất trung gian kiểu gốc tự do

(radical) liên kết với trung tâm hoạt động bằng liên kết

đồng cực, chất trung gian đuọc hình thành là do sự thay đổi

trạng thái điện tử của các chất xúc tác (bán dẫn hoặc kim

loại)

a Xúc tác oxi hóa khử

hệ mật thiết với hoạt độ xúc tác.

O OO

OO

Cr CrO

OO

O OO

O

Cr Cr

OO

O OO

Phối trí 6 Phối trí 5 Phối trí 4 Phối trí 3

Và các Cr3+ sẽ được chuyển về trạng thái oxy hóa thấp hơn

theo phản ứng:

2Cr3+ + 2e → 2Cr2+

Ở khoảng nhiệt độ mà tính bán dẫn chiếm ưu thế thì các điện

tích âm thừa đó có thể được chuyển qua lại:

I.PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

15

5 CƠ CHẾ PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ:

a Xúc tác oxi hóa khử

Cơ chế được giải thích dựa trên 2 thuyết:

- Thuyết trường tinh thể

Ví dụ: Trong quá trình tăng phối trí của cation, trên các

cấu hình : d0, d5, d10 sẽ có hiệu ứng nhiệt (phát nhiệt) nhỏ

nhất, hoạt độ xúc tác cũng nhỏ nhất

Với d3, d6, d8 có năng lượng làm bền trường tinh thể lớn,

nên hoạt độ cũng lớn (vào loại lớn nhất)

Cơ chế được giải thích dựa trên 2 thuyết:

- Thuyết trường phối tử

Ví dụ: Cơ chế tạo phức π trong phản ứng hydro-dehydro hóa giữa cyclohexan và benxen

 Sản phẩm trung gian là những ion đã tạo thành do tương tác

của chất phản ứng với xúc tác axit gọi là ion cacbony và

xúc tác bazo là ion cacbonyl

→ Cơ chế của phản ứng xúc tác dị thể với xúc tác axít bazo dựa

theo quan điểm của phức chất hoạt động và cơ chế proton hóa

I.PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ

5 CƠ CHẾ PHẢN ỨNG XÚC TÁC DỊ THỂ:2

b Xúc tác axit - bazo

Xúc tác axít bazo dựa theo cơ chế proton hóa:

+ Cộng proton H+ vào olefin

+ Loại ion hydrua H- từ paraffin

+ Tâm axit trên bề mặt Zeolite và Silica-alumina

+ Tâm axit trên bề mặt Al2O3

24

O Si

O Si

O Al

O Si

II.CÁC GIAI ĐOẠN PHẢN ỨNG TRONG

XÚC TÁC DỊ THỂ

27

Phân theo 3 tiêu chí chính:

 Phân chia theo giai đoạn:

II.CÁC GIAI ĐOẠN PHẢN ỨNG TRONG

 Giai đoạn 2: Phản ứng lên bề mặt xúc tác (A→B)

 Giai đoạn 3: Khuếch tán sản phẩm B ra môi trường phản ứng

28

II.CÁC GIAI ĐOẠN PHẢN ỨNG TRONG

 Giai đoạn 2: Hấp phụ chất phản ứng A lên bề mặt xúc tác

 Giai đoạn 3: Phản ứng lên bề mặt xúc tác (A→B)

 Giai đoạn 4: Nhả hấp phụ lên sản phẩm B

 Giai đoạn 5: Khuếch tán sản phẩm B ra môi trường phản ứng

29

II.CÁC GIAI ĐOẠN PHẢN ỨNG TRONG

 Giai đoạn 3: Hấp phụ chất phản ứng A lên bề mặt xúc tác

 Giai đoạn 4: Phản ứng lên bề mặt xúc tác (A→B)

 Giai đoạn 5: Nhả hấp phụ sản phẩm B khỏi bề mặt xúc tác

 Giai đoạn 6: Khuếch tán sản phẩm B khỏi bề mặt xúc tác

 Giai đoạn 7: Khuếch tán sản phẩm B ra môi trường phản ứng

30

II.CÁC GIAI ĐOẠN PHẢN ỨNG TRONG