Различни видове катализатори

В химията, a катализатор е вещество, което ускорява скоростта на реакцията, без да се консумира в реакцията. Всяка реакция, при която се използва катализатор, се нарича катализа. Внимавайте с това разграничение, когато четете химически материали; катализаторът (множествено число "катализатори") е физическо вещество, но катализацията (множествено число "катализатори") е процес.

Прегледът на всеки от класовете катализатори е полезна отправна точка при изучаването на аналитична химия и разбиране какво се случва на молекулярно ниво, когато смесите веществата и се получи реакция. Катализаторите и свързаните с тях каталитични реакции се предлагат в три основни типа: хомогенни катализатори, хетерогенни катализатори и биокатализатори (обикновено наричани ензими). По-рядко срещаните, но все пак важни видове каталитични дейности включват фотокатализа, катализа в околната среда и зелени каталитични процеси.

По-голямата част от твърдите катализатори са метали (напр. Платина или никел) или близки метали (например силиций, бор и алуминий), прикрепени към елементи като кислород и сяра. Катализаторите, които са в течна или газова фаза, са по-склонни да се състоят от един елемент, въпреки че могат да бъдат комбинирани с разтворители и друг материал, а твърдите катализатори могат да се разпространяват в твърда или течна матрица, известна като катализаторна подложка.

Катализаторите ускоряват реакциите чрез понижаване на активираща енергия Е._а на реакция, която ще продължи без катализатора, но далеч по-бавно. Такива реакции имат продукт или продукти с по-ниска обща енергия от тази на реагента или реагентите; ако това не беше така, тези реакции нямаше да възникнат без добавяне на външна енергия. Но за да стигнат от състоянието с по-висока енергия към състоянието с по-ниска енергия, продуктите трябва първо да „преодолеят гърбицата“, като тази „гърбица“ е Е_а. По същество катализаторите изглаждат неравностите по реакционно-енергийния път, като го улесняват реагенти, за да стигнат до енергийния "надолу" на реакцията, като просто намалят котата на „връх на хълма“.

Химическите системи съдържат примери за положителни и отрицателни катализатори, като първият има тенденция да ускорява скоростта на реакцията, а отрицателните катализатори служат за забавянето им. И двете могат да бъдат изгодни, в зависимост от конкретния желан резултат.

Катализаторите извършват своята работа чрез временно свързване към или по друг химичен начин модифициране на един от реагентите и промяна на неговата физическа конформация, или триизмерна форма, по начин, който улеснява трансформацията на реагента или реагентите в един от продукти. Представете си, че имате куче, което се е търкаляло в калта и трябва да е чисто, преди да може да влезе вътре. В крайна сметка калта сама би се отделила от кучето, но ако можете да направите нещо, което подбужда кучето по посока на дворната пръскачка за да може калта бързо да се пръска от козината му, вие бихте послужили като "катализатор" на "реакцията" на мръсното куче към чистото куче.

Най-често междинен продукт, който не е показан в обичайното резюме на реакцията, се формира от реагент и катализатор и когато този комплекс се промени в един или повече крайни продукти, катализаторът се регенерира така, сякаш никога не се е случило нищо с него в всичко. Както ще видите скоро, този процес може да се осъществи по различни начини.

Разглежда се реакция хомогенно катализиран когато катализаторът и реагентът (ите) са в едно и също физическо състояние или фаза. Това най-често се случва с газообразни двойки катализатор-реагент. Видовете хомогенни катализатори включват органични киселини, в които дареният водороден атом е заменен с метал, a брой съединения, смесващи въглеродни и метални елементи под някаква форма, и карбонилни съединения, присъединени към кобалт или желязо.

Пример за този тип катализа, включваща течности, е превръщането на персулфатни и йодидни йони в сулфатни йони и йод:

С₂О₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + I₂

Тази реакция трудно ще продължи сама, въпреки благоприятната енергетика, защото и двете реагентите се зареждат отрицателно и следователно техните електростатични качества са в противовес на химичните им вещества качества. Но ако към сместа се добавят железни йони, които носят положителен заряд, желязото „отвлича вниманието“ на отрицателните заряди и реакцията бързо се придвижва напред.

Една естествена газообразна хомогенна катализа е конверсията на кислороден газ или O₂, в атмосферата до озон или O₃, където кислородните радикали (O^-) са междинни продукти. Тук ултравиолетовата светлина от слънцето е истинският катализатор, но всяко налично физическо съединение е в същото (газово) състояние.

Разглежда се реакция хетерогенно катализиран когато катализаторът и реагентът (ите) са в различни фази, като реакцията протича на границата между тях (най-често „границата“ на твърдо вещество газ). Някои от най-често срещаните хетерогенни катализатори включват неорганични - т.е. несъдържащи въглерод - твърди вещества като елементарни метали, сулфиди и метални соли, както и малко органични вещества, сред които хидропероксиди и йони обменници.

Зеолитите са важен клас хетерогенни катализатори. Това са кристални твърди вещества, съставени от повтарящи се единици SiO₄. Единиците на четири от тези съединени молекули са свързани заедно, за да образуват различни структури на пръстена и клетката. Наличието на алуминиев атом в кристала създава дисбаланс на заряда, който се компенсира от протон (т.е. водороден йон).

Ензимите са протеини, които функционират като катализатори в живите системи. Тези ензими имат компоненти, наречени субстратни свързващи места, или активни сайтове, където молекулите, участващи в реакцията при катализа, се свързват. Компонентните части на всички протеини са аминокиселини и всяка от тези отделни киселини има неравномерно разпределение на заряда от единия до другия край. Това свойство е основната причина ензимите да притежават каталитични способности.

Активното място на ензима се побира заедно с правилната част на субстрата (реагент), по-скоро като ключ, влизащ в ключалка. Имайте предвид, че катализаторите, описани по-рано, често катализират множество различни реакции и следователно не притежават степента на химическа специфичност, която ензимите имат.

Като цяло, когато има повече субстрат и повече ензим, реакцията ще протече по-бързо. Но ако се добавят все повече субстрати, без да се добавя и повече ензим, всички ензимни местата на свързване се насищат и реакцията е достигнала максималната си скорост за този ензим концентрация. Всяка реакция, катализирана от ензим, може да бъде представена по отношение на междинните продукти, образувани поради присъствието на ензима. Тоест, вместо да пише:

S → P

за да покажете субстрат, който се трансформира в продукт, можете да изобразите това като:

E + S → ES → E + P

където средният термин е ензимно-субстратен (ES) комплекс.

Ензимите, въпреки че са класифицирани като категория катализатори, различни от изброените по-горе, могат да бъдат или хомогенни, или хетерогенни.

Ензимите функционират оптимално в тесен температурен диапазон, което има смисъл, като се има предвид, че телесната температура не се колебае с повече от няколко градуса при обикновени условия. Екстремната топлина унищожава много ензими и ги кара да загубят специфичната си триизмерна форма - процес, наречен денатуриране, който се прилага за всички протеини.