Xúc tác và sự phụ thuộc vào nhiệt độ

Tốc độ phản ứng tăng mạnh theo nhiệt độ theo cách được mô tả bởi phương trình Arrhenius, và các chất xúc tác đẩy nhanh phản ứng bằng cách cung cấp các con đường thay thế với hàng rào năng lượng hoạt hóa thấp hơn.

Definition

Xúc tác là sự tăng tốc của một phản ứng bởi một chất cung cấp con đường năng lượng thấp hơn và được tái tạo không đổi, và sự phụ thuộc vào nhiệt độ đề cập đến mối quan hệ Arrhenius giữa hằng số tốc độ, năng lượng hoạt hóa và nhiệt độ.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các hằng số tốc độ thông qua phương trình Arrhenius, năng lượng hoạt hóa và yếu tố tiền mũ, cùng với cách giải thích phân tử của chúng bằng lý thuyết va chạm và lý thuyết trạng thái chuyển tiếp. Nó bao gồm động học xúc tác: cách các chất xúc tác làm giảm hàng rào năng lượng hoạt hóa mà không bị tiêu thụ, xúc tác đồng thể và dị thể, các cơ chế bề mặt Langmuir-Hinshelwood và Eley-Rideal, và xúc tác enzyme thông qua sơ đồ Michaelis-Menten. Lý thuyết chi tiết về phức chất hoạt hóa và các định luật tốc độ cơ bản được đề cập trong các chủ đề liên quan.

Core questions

• Phương trình Arrhenius liên hệ hằng số tốc độ với nhiệt độ và năng lượng hoạt hóa như thế nào?
• Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng như thế nào mà không bị tiêu thụ hoặc làm dịch chuyển trạng thái cân bằng?
• Các cơ chế Langmuir-Hinshelwood và Eley-Rideal mô tả xúc tác bề mặt như thế nào?
• Sơ đồ Michaelis-Menten giải thích động học enzyme và sự bão hòa như thế nào?

Key concepts

• Phương trình Arrhenius và yếu tố tiền mũ
• Năng lượng hoạt hóa
• Xúc tác đồng thể và dị thể
• Cơ chế Langmuir-Hinshelwood và Eley-Rideal
• Động học enzyme Michaelis-Menten

Key theories

Phương trình Arrhenius

Hằng số tốc độ phụ thuộc theo hàm mũ vào tỷ lệ âm của năng lượng hoạt hóa trên năng lượng nhiệt, do đó, một đồ thị logarit của hằng số tốc độ theo nghịch đảo nhiệt độ sẽ cho năng lượng hoạt hóa từ độ dốc của nó.

Động học enzyme Michaelis-Menten

Một enzyme liên kết cơ chất trong trạng thái tiền cân bằng nhanh để tạo thành một phức chất chuyển đổi thành sản phẩm, tạo ra tốc độ tăng theo nồng độ cơ chất và bão hòa ở vận tốc tối đa, được đặc trưng bởi hằng số Michaelis.

Clinical relevance

Những ý tưởng này là nền tảng cho xúc tác dị thể công nghiệp như tổng hợp amoniac và bộ chuyển đổi xúc tác, kiểm soát nhiệt độ và sự ổn định của các quá trình hóa học và vật liệu lưu trữ, cũng như phân tích định lượng enzyme, điều này làm cho xúc tác trở thành trung tâm của hóa sinh và tác dụng của thuốc.

History

Berzelius đặt tên cho xúc tác vào năm 1835; Arrhenius đưa ra định luật nhiệt độ của tốc độ vào năm 1889, và đầu thế kỷ XX chứng kiến động học bề mặt của Langmuir và cách xử lý enzyme của Michaelis-Menten năm 1913, thiết lập xúc tác như một nhánh định lượng của động học.

Key figures

• Svante Arrhenius
• Jons Jacob Berzelius
• Leonor Michaelis

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

Chất xúc tác có bị tiêu hao trong phản ứng không?

Không. Chất xúc tác tham gia vào cơ chế nhưng được tái tạo vào cuối chu trình xúc tác, vì vậy về nguyên tắc, một lượng nhỏ có thể chuyển hóa một lượng lớn chất phản ứng, mặc dù các chất xúc tác thực tế có thể bị suy giảm hoặc bị ngộ độc theo thời gian.

Tại sao việc tăng nhiệt độ thường làm tăng tốc độ phản ứng một cách đáng kể?

Tỷ lệ các phân tử có đủ năng lượng để vượt qua hàng rào năng lượng hoạt hóa tăng theo hàm mũ với nhiệt độ, vì vậy ngay cả một sự tăng nhiệt độ khiêm tốn cũng có thể nhân tốc độ lên, đó là lý do tại sao nhiều phản ứng tăng tốc độ gần gấp đôi cho mỗi lần tăng mười độ.