Catalyst  là một từ phổ biến mà bạn có thể gặp khi học Hóa, đặc biệt là khi tìm hiểu về các phản ứng hóa học. Mặc dù một số phản ứng hóa học diễn ra nhanh chóng nhưng một số lại mất nhiều thời gian và cần thêm vật liệu hoặc công sức. Đây là lúc catalyst xuất hiện để đẩy nhanh quá trình phản ứng. Vậy catalyst là gì? Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu ngay sau đây nhé?

Catalyst là gì?

Thực tế, catalyst có nghĩa là chất xúc tác. Đây là những chất làm thay đổi tốc độ phản ứng bằng cách thay đổi con đường phản ứng. Thông thường, chất xúc tác được sử dụng để tăng tốc độ phản ứng hóa học. Tuy nhiên, nếu chúng ta đi sâu hơn, chất xúc tác được sử dụng để phá vỡ hoặc xây dựng lại liên kết hóa học giữa các nguyên tử có trong phân tử của các nguyên tố hoặc hợp chất khác nhau.

Chất xúc tác có thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí. Một số chất xúc tác rắn như kim loại hoặc oxit của chúng, bao gồm sunfua và halogenua. Các nguyên tố bán kim loại như boron, nhôm và silicon cũng được sử dụng làm chất xúc tác. Hơn nữa, các nguyên tố lỏng và khí ở dạng tinh khiết được sử dụng làm chất xúc tác. Đôi khi, những nguyên tố này cũng được sử dụng cùng với dung môi hoặc chất mang thích hợp.

Quá trình hoạt động trong phản ứng hóa học của catalyst là gì?

Sau khi đã biết catalyst là gì thì chúng ta hãy cùng tìm hiểu xem catalyst hoạt động như thế nào trong các phản ứng hóa học nhé.

Phản ứng liên quan đến chất xúc tác được gọi là phản ứng xúc tác. Nó là phản ứng hóa học giữa chất xúc tác và chất phản ứng. Điều này dẫn đến sự hình thành các hóa chất trung gian có thể phản ứng tiếp một cách khá dễ dàng với nhau hoặc với chất phản ứng khác để tạo thành sản phẩm. Tuy nhiên, khi phản ứng giữa hóa chất trung gian và chất phản ứng xảy ra hoặc diễn ra thì chất xúc tác sẽ được tái sinh.

Cụ thể, trong bất kỳ phản ứng hóa học nào, các phân tử phá vỡ liên kết hóa học giữa các nguyên tử của chúng. Các nguyên tử cũng tạo ra liên kết mới với các nguyên tử khác nhau. Một phân tử có thể có những đặc tính nhất định cho phép nó thu hút các nguyên tử khỏi phân tử khác. Nhưng trong mối quan hệ hợp tác ổn định, các phân tử vẫn hài lòng với hiện tại. Ở bên nhau trong một thời gian rất dài, một số cuối cùng có thể chuyển đổi đối tác. Nhưng không có sự điên cuồng về việc phá vỡ và xây dựng lại.

Các phương thức phản ứng giữa chất xúc tác và chất phản ứng thường có xu hướng khác nhau và trong trường hợp chất xúc tác rắn thì phức tạp hơn. Phản ứng có thể là phản ứng axit-bazơ, phản ứng oxi hóa-khử, hình thành phức hợp phối hợp, cũng như sản xuất các gốc tự do. Đối với chất xúc tác rắn, cơ chế phản ứng bị ảnh hưởng rất nhiều bởi tính chất bề mặt và cấu trúc điện tử hoặc tinh thể. Một số loại chất xúc tác rắn, chẳng hạn như chất xúc tác đa chức năng, có thể có một số chế độ phản ứng với chất phản ứng.

Lịch sử của chất xúc tác

Nếu chúng ta nhìn vào ý nghĩa chung của catalyst – chất xúc tác, thì đó là bất cứ thứ gì làm tăng tốc độ của một quá trình. Catalyst là một thuật ngữ bắt nguồn từ từ kataluein trong tiếng Hy Lạp, có nghĩa là “hòa tan” hoặc “kết hợp”. Khái niệm catalyst lần đầu tiên được nghiên cứu bởi nhà hóa học Elizabeth Fulhame và nó được mô tả trong cuốn sách của bà vào năm 1794. Nội dung cuốn sách này dựa trên công trình nghiên cứu của bà về các thí nghiệm oxy hóa-khử.

Phản ứng hóa học đầu tiên trong hóa học hữu cơ sử dụng chất xúc tác được nghiên cứu vào năm 1811 bởi Gottlieb Kirchhoff, một nhà hóa học người Nga gốc Đức. Thuật ngữ catalyst sau đó được nhà hóa học người Thụy Điển tên là Jöns Jakob Berzelius sử dụng vào năm 1835 để mô tả các phản ứng được tăng tốc bởi một số chất. Các chất tiếp tục không thay đổi sau phản ứng.

Ví dụ về chất xúc tác – catalyst

Để hiểu hơn catalyst là gì thì chúng ta có thể tham khảo một số ví dụ cụ thể về chất xúc tác như sau:

Enzyme là chất xúc tác tự nhiên trong sinh học. Chúng đóng một vai trò trong mọi hoạt động từ sao chép vật liệu di truyền đến phân hủy thức ăn và chất dinh dưỡng. Các nhà sản xuất thường tạo ra chất xúc tác là enzyme để tăng tốc các quy trình trong công nghiệp.

Một công nghệ cần chất xúc tác để hoạt động là pin nhiên liệu hydro. Trong các thiết bị này, khí hydro (H2) phản ứng với khí oxy (O2) để tạo ra nước (H2O) và điện. Những hệ thống này có thể được tìm thấy trong một chiếc xe chạy bằng hydro, nơi chúng tạo ra điện để cung cấp năng lượng cho động cơ. Pin nhiên liệu cần tách các nguyên

tử trong phân tử hydro và oxy để các nguyên tử đó có thể sắp xếp lại nhằm tạo ra các phân tử mới (nước). Tuy nhiên, nếu không có sự trợ giúp từ các chất xúc tác thì việc cải tổ lại đó sẽ diễn ra rất chậm. Vì vậy, pin nhiên liệu sử dụng chất xúc tác – bạch kim – để thúc đẩy các phản ứng đó diễn ra.

Bạch kim hoạt động tốt trong pin nhiên liệu vì nó tương tác với lượng vừa phải đối với mỗi loại khí khởi động. Bề mặt của bạch kim thu hút các phân tử khí. Trên thực tế, nó kéo chúng lại gần nhau để làm tăng tốc phản ứng.

Hiện nay nhiều công nghệ khác cũng dựa vào chất xúc tác bạch kim. Ví dụ, để loại bỏ các chất ô nhiễm có hại từ khí thải, ô tô sử dụng bộ chuyển đổi xúc tác.

Phân loại chất xúc tác

Hiện có nhiều loại chất xúc tác khác nhau, chúng được phân chia vào các loại cụ thể như sau:

Chất xúc tác tích cực – Positive Catalysts

Chất xúc tác tích cực là chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng hóa học. Nó làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách hạ thấp các rào cản năng lượng kích hoạt sao cho một số lượng lớn các phân tử phản ứng được chuyển đổi thành sản phẩm, và do đó tỷ lệ hiệu suất của sản phẩm tăng lên.

Ví dụ: Trong quá trình điều chế NH3 theo quy trình của Haber, oxit sắt đóng vai trò là chất xúc tác tích cực và làm tăng hiệu suất sản xuất amoniac mặc dù phản ứng của nitơ ít hơn.

Chất xúc tác tiêu cực – Negative Catalysts

Chất xúc tác làm giảm tốc độ phản ứng là chất xúc tiêu cực. Nó làm giảm tốc độ phản ứng bằng cách tăng hàng rào năng lượng kích hoạt, làm giảm số lượng phân tử chất phản ứng chuyển thành sản phẩm và do đó tốc độ phản ứng giảm.

Ví dụ về: Để sự phân hủy hydroperoxide thành nước và oxy bị chậm lại, chúng ta sử dụng chất xúc tác acetanilide. Chất này làm giảm tốc độ phân hủy hydro peroxide.

Những định nghĩa liên quan đến Catalyst

Ngoài ý nghĩa là chất xúc tác trong hóa học, thuật ngữ catalyst còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực bằng cách kết hợp thêm các từ khác. Vậy catalyst là gì trong những lĩnh vực khác, cùng tìm hiểu ngay nhé.

• Amd catalyst: đây là thuật ngữ được dùng trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Nó có tên đầy đủ là Amd catalyst control center. Đây là một công cụ đi kèm với driver, hỗ trợ màn hình Amd hoạt động bình thường. Công cụ này có dạng tệp CCC.exe
• Ati catalyst: đây là bộ phần mềm điều khiển đồ họa dùng cho máy tính. SiteCatalyst: là một phần mềm dùng để thu thập, phân tích thống kê những dữ liệu truy cập cho website.
• Fitch fuel catalyst: là bộ xúc tác nhiên liệu làm bằng một loại hợp kim có phản ứng với những loại nhiên liệu có gốc là hidrocacbon như xăng, dầu diesel, gas, dầu hỏa,….
• Catalytic Converter: là bộ lọc khí thải. Chúng có nhiệm vụ lọc khí thải của xe ô tô nhằm giảm thiểu khí thải có hại như: CO, NOx, HC-hydrocacbon…

Trên đây là những thông tin tổng hợp để giải thích cho catalyst là gì. Hy vọng những thông tin về catalyst – chất xúc tác có thể hữu ích đối với quý độc giả.