Bài học

Chất xúc tác và vai trò trong phản ứng hoá học

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được khái niệm chất xúc tác, giải thích được cơ chế chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách giảm năng lượng hoạt hoá mà không bị tiêu hao sau phản ứng, và kể được một số ứng dụng thực tế.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này dùng lại khái niệm năng lượng hoạt hoá $E_a$ vừa học ở bài 3.1, và liên hệ tới enthalpy phản ứng $\Delta_r H$ đã học ở Course 6 — hai đại lượng dễ nhầm với nhau nhưng có ý nghĩa khác nhau hoàn toàn, bài học sẽ làm rõ.

Khởi động

Ống xả xe máy, ô tô có một bộ phận gọi là "bộ xúc tác khí thải" (catalytic converter), chứa các kim loại quý như platinum, palladium. Nhờ nó, khí CO độc hại và hydrocarbon chưa cháy hết trong khí xả được chuyển hoá thành CO2 và hơi nước ngay ở nhiệt độ vận hành bình thường của động cơ, thay vì cần đốt ở nhiệt độ rất cao. Bộ xúc tác này hoạt động theo nguyên lý nào?

Kiến thức trọng tâm

Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng sau phản ứng vẫn giữ nguyên khối lượng và bản chất hoá học — nó không bị tiêu hao như một chất phản ứng thông thường.

Cơ chế: chất xúc tác tham gia tạo ra một con đường phản ứng khác (thường qua một chất trung gian hoặc bằng cách hấp phụ chất phản ứng lên bề mặt xúc tác), con đường này có năng lượng hoạt hoá $E_a$ thấp hơn con đường không có xúc tác. Vì $E_a$ thấp hơn, ở cùng một nhiệt độ, tỉ lệ va chạm có đủ năng lượng vượt qua hàng rào năng lượng tăng lên rất nhiều, nên tốc độ phản ứng tăng mạnh — dù nhiệt độ không hề thay đổi.

Một điểm quan trọng cần phân biệt: chất xúc tác không làm thay đổi biến thiên enthalpy $\Delta_r H$ của phản ứng (mức năng lượng của chất đầu và sản phẩm không đổi, phản ứng vẫn toả/thu nhiệt như cũ) — nó chỉ hạ thấp "hàng rào" năng lượng hoạt hoá phải vượt qua, giúp phản ứng đạt tới trạng thái cân bằng hoặc hoàn thành nhanh hơn. Chất xúc tác cũng không làm phản ứng có thể xảy ra khi vốn dĩ không tự xảy ra được — nó chỉ tăng tốc một phản ứng vốn đã có khả năng xảy ra về mặt nhiệt động học.

**Chất xúc tác** là chất làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng sau phản ứng vẫn giữ nguyên khối lượng và bản chất hoá học — nó không bị tiêu hao như một chất phản ứng thông thường. Cơ chế: chất xúc tác tham gia tạo ra một **con đường phản ứng khác** (thường qua một chất trung gian hoặc bằng cách hấp phụ chất phản ứng lên bề mặt xúc tác), con đường này có **năng lượng hoạt hoá $E_a$ thấp hơn** con đường không có xúc tác. Vì $E_a$ thấp hơn, ở cùng một nhiệt độ, tỉ lệ va chạm có đủ năng lượng vượt qua hàng rào năng lượng tăng lên rất nhiều, nên tốc độ phản ứng tăng mạnh — dù nhiệt độ không hề thay đổi. Một điểm quan trọng cần phân biệt: chất xúc tác **không làm thay đổi** biến thiên enthalpy $\Delta_r H$ của phản ứng (mức năng lượng của chất đầu và sản phẩm không đổi, phản ứng vẫn toả/thu nhiệt như cũ) — nó chỉ hạ thấp "hàng rào" năng lượng hoạt hoá phải vượt qua, giúp phản ứng đạt tới trạng thái cân bằng hoặc hoàn thành nhanh hơn. Chất xúc tác cũng không làm phản ứng có thể xảy ra khi vốn dĩ không tự xảy ra được — nó chỉ tăng tốc một phản ứng vốn đã có khả năng xảy ra về mặt nhiệt động học.

Ví dụ mẫu

Ví dụ

So sánh tốc độ phân huỷ H2O2 có và không có xúc tác MnO2

1
Dung dịch H2O2 để ở nhiệt độ phòng phân huỷ rất chậm (2H2O2 → 2H2O + O2), gần như không quan sát được bọt khí trong vài phút. Khi thêm một lượng nhỏ bột MnO2 vào, bọt khí O2 xuất hiện mạnh gần như ngay lập tức. Giải thích hiện tượng này và cho biết vai trò của MnO2.
2
MnO2 không xuất hiện trong PTHH ở dạng chất phản ứng hay sản phẩm — khối lượng MnO2 trước và sau phản ứng không đổi. Đây là dấu hiệu MnO2 đóng vai trò chất xúc tác cho phản ứng phân huỷ H2O2.
3
MnO2 tạo ra một con đường phản ứng khác có năng lượng hoạt hoá thấp hơn nhiều so với con đường phân huỷ trực tiếp H2O2 ở nhiệt độ phòng. Nhờ vậy, tỉ lệ va chạm hiệu quả tăng vọt dù nhiệt độ không đổi, phản ứng xảy ra nhanh và rõ rệt hơn hẳn.
4
Vậy MnO2 là chất xúc tác cho phản ứng phân huỷ H2O2: nó làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách hạ thấp năng lượng hoạt hoá, nhưng không bị tiêu hao và không xuất hiện trong PTHH cân bằng cuối cùng.

Ví dụ dạng thi

Ví dụ

Xúc tác có làm thay đổi enthalpy phản ứng hay không?

1
Phản ứng phân huỷ H2O2 có $\Delta_r H^\circ < 0$ (toả nhiệt) khi không dùng xúc tác. Khi thêm MnO2 làm xúc tác, tốc độ phản ứng tăng mạnh. Hỏi giá trị $\Delta_r H^\circ$ của phản ứng khi có xúc tác MnO2 so với khi không có xúc tác thay đổi như thế nào? Giải thích.
Phản ứng phân huỷ H2O2 có $\Delta_r H^\circ < 0$ (toả nhiệt) khi không dùng xúc tác. Khi thêm MnO2 làm xúc tác, tốc độ phản ứng tăng mạnh. Hỏi giá trị $\Delta_r H^\circ$ của phản ứng khi có xúc tác MnO2 so với khi không có xúc tác thay đổi như thế nào? Giải thích.
2
Năng lượng hoạt hoá $E_a$ là "hàng rào" động học phải vượt qua để phản ứng xảy ra — chất xúc tác chỉ tác động vào đại lượng này. Biến thiên enthalpy $\Delta_r H^\circ$ là hiệu năng lượng giữa sản phẩm và chất đầu — một đại lượng nhiệt động học, chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối, không phụ thuộc con đường phản ứng đi qua.
Năng lượng hoạt hoá $E_a$ là "hàng rào" động học phải vượt qua để phản ứng xảy ra — chất xúc tác chỉ tác động vào đại lượng này. Biến thiên enthalpy $\Delta_r H^\circ$ là hiệu năng lượng giữa sản phẩm và chất đầu — một đại lượng nhiệt động học, chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối, không phụ thuộc con đường phản ứng đi qua.
3
Vì chất xúc tác chỉ mở ra một con đường phản ứng khác (với $E_a$ thấp hơn) chứ không làm thay đổi trạng thái năng lượng của chất đầu hay sản phẩm, nên $\Delta_r H^\circ$ của phản ứng khi có xúc tác MnO2 bằng đúng $\Delta_r H^\circ$ khi không có xúc tác.
Vì chất xúc tác chỉ mở ra một con đường phản ứng khác (với $E_a$ thấp hơn) chứ không làm thay đổi trạng thái năng lượng của chất đầu hay sản phẩm, nên $\Delta_r H^\circ$ của phản ứng khi có xúc tác MnO2 bằng đúng $\Delta_r H^\circ$ khi không có xúc tác.
4
Vậy chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng (giảm $E_a$ ) nhưng KHÔNG làm thay đổi giá trị $\Delta_r H^\circ$ của phản ứng — đây là điểm phân biệt quan trọng giữa ảnh hưởng động học (tốc độ) và ảnh hưởng nhiệt động học (năng lượng) của một phản ứng.
Vậy chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng (giảm $E_a$) nhưng KHÔNG làm thay đổi giá trị $\Delta_r H^\circ$ của phản ứng — đây là điểm phân biệt quan trọng giữa ảnh hưởng động học (tốc độ) và ảnh hưởng nhiệt động học (năng lượng) của một phản ứng.

Sai lầm thường gặp

Lỗi phổ biến nhất là coi chất xúc tác như một chất phản ứng thông thường, cho rằng nó bị tiêu hao và phải tính theo số mol trong PTHH — sai, vì xúc tác được giải phóng nguyên vẹn sau chu trình phản ứng. Lỗi thứ hai là nhầm chất xúc tác làm thay đổi $\Delta_r H$ của phản ứng — xúc tác chỉ ảnh hưởng đến tốc độ (qua $E_a$ ), không ảnh hưởng đến mức năng lượng đầu-cuối của phản ứng.

Lỗi phổ biến nhất là coi chất xúc tác như một chất phản ứng thông thường, cho rằng nó bị tiêu hao và phải tính theo số mol trong PTHH — sai, vì xúc tác được giải phóng nguyên vẹn sau chu trình phản ứng. Lỗi thứ hai là nhầm chất xúc tác làm thay đổi $\Delta_r H$ của phản ứng — xúc tác chỉ ảnh hưởng đến tốc độ (qua $E_a$), không ảnh hưởng đến mức năng lượng đầu-cuối của phản ứng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách mở ra một con đường phản ứng có năng lượng hoạt hoá thấp hơn, nhưng không bị tiêu hao và không làm thay đổi $\Delta_r H$ của phản ứng. Enzyme là ví dụ chất xúc tác sinh học; MnO2 và các kim loại quý (Pt, Pd) là ví dụ chất xúc tác vô cơ thường gặp trong công nghiệp và đời sống.

Cầu nối bài sau

Em đã học đủ năm yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng — Chương 4 sẽ học cách viết một biểu thức toán học mô tả chính xác mối quan hệ giữa nồng độ và tốc độ phản ứng.