Různé typy katalyzátorů

V chemii, a katalyzátor je látka, která zrychluje rychlost reakce, aniž by byla sama spotřebována v reakci. Jakákoli reakce, která využívá katalyzátor, se nazývá katalýza. Při čtení chemického materiálu buďte na toto rozlišení opatrní; katalyzátor (množné číslo „katalyzátory“) je fyzikální látka, ale katalýza (množné číslo „katalyzátory“) je proces.

Přehled každé ze tříd katalyzátorů je užitečným výchozím bodem pro osvojení analytické chemie a pochopení toho, co se děje na molekulární úrovni, když smícháte látky dohromady a dojde k reakci. Katalyzátory a související katalytické reakce přicházejí ve třech hlavních typech: homogenní katalyzátory, heterogenní katalyzátory a biokatalyzátory (obvykle nazývané enzymy). Méně časté, ale stále důležité typy katalytických aktivit zahrnují fotokatalýzu, katalýzu prostředí a zelené katalytické procesy.

Většina pevných katalyzátorů jsou kovy (např. Platina nebo nikl) nebo blízké kovy (např. Křemík, bór a hliník) připojené k prvkům, jako je kyslík a síra. Katalyzátory, které jsou v kapalné nebo plynné fázi, se pravděpodobně skládají z jednoho prvku, i když je lze kombinovat s nimi rozpouštědla a další materiál a pevné katalyzátory mohou být rozptýleny v pevné nebo kapalné matrici známé jako nosič katalyzátoru.

Katalyzátory urychlují reakce snížením aktivační energie E_A reakce, která by pokračovala bez katalyzátoru, ale mnohem pomaleji. Takové reakce mají produkt nebo produkty s nižší celkovou energií než reaktant nebo reaktanty; kdyby tomu tak nebylo, tyto reakce by se neobjevily bez přidání vnější energie. Chcete-li se však dostat ze stavu vyšší energie do stavu nižší energie, musí se výrobky nejprve „dostat přes hrb“, přičemž „hrb“ je E_A. Katalyzátory v podstatě vyhlazují nerovnosti podél silnice reakční energie tím, že jim usnadňují reaktanty, aby se dostaly k "sestupnému proudu" energie reakce jednoduchým snížením nadmořské výšky „na kopci.“

Chemické systémy obsahují příklady pozitivních a negativních katalyzátorů, přičemž první mají tendenci zrychlovat rychlost reakce a negativní katalyzátory slouží k jejich zpomalení. Obojí může být výhodné v závislosti na konkrétním požadovaném výsledku.

Katalyzátory vykonávají svou práci dočasným navázáním na nebo jinak chemicky modifikují jeden z reaktantů a mění jeho fyzikální vlastnosti konformace nebo trojrozměrný tvar způsobem, který usnadňuje transformaci reaktantu nebo reaktantů na jeden z produkty. Představte si, že máte psa, který se odvalil v bahně a musí být čistý, než se dostane dovnitř. Bahno by se ze psa nakonec samo oddělilo, ale pokud byste mohli udělat něco, co psa popohnalo ve směru k dvornímu postřikovači aby bylo bahno rychle postříkáno ze srsti, sloužili byste ve skutečnosti jako „katalyzátor“ „špinavého psa na„ čistou “„ reakci “.

Nejčastěji se meziprodukt, který není uveden v žádném běžném souhrnu reakce, vytváří z reaktantu a katalyzátoru a když se tento komplex změní na jeden nebo více finálních produktů, katalyzátor se regeneruje, jako by se nikdy Všechno. Jak brzy uvidíte, tento proces může probíhat různými způsoby.

Uvažuje se o reakci homogenně katalyzováno když jsou katalyzátor a reaktant (reaktanty) ve stejném fyzickém stavu nebo fázi. To se nejčastěji stává u párů plynných katalyzátorů a reaktantů. Mezi typy homogenních katalyzátorů patří organické kyseliny, ve kterých je darovaný atom vodíku nahrazen kovem, a počet sloučenin mísících v určité formě uhlík a kovové prvky a karbonylové sloučeniny spojené s kobaltem nebo žehlička.

Příkladem tohoto typu katalýzy zahrnující kapaliny je přeměna persíranových a jodidových iontů na síranový ion a jód:

S₂Ó₈^2- + 2 já^- → 2 SO₄^2- + Já₂

Tato reakce by sama o sobě těžko pokračovala navzdory příznivé energii, protože obojí reaktanty jsou negativně nabité, a proto jsou jejich elektrostatické vlastnosti v rozporu s jejich chemickými látkami vlastnosti. Pokud se však do směsi přidají ionty železa, které nesou kladný náboj, železo „rozptýlí“ záporné náboje a reakce se rychle posune vpřed.

Přirozeně se vyskytující plynnou homogenní katalýzou je přeměna plynného kyslíku neboli O₂, v atmosféře na ozon nebo O₃, kde kyslíkové radikály (O^-) jsou meziprodukty. Zde je ultrafialové světlo ze slunce skutečným katalyzátorem, ale každá přítomná fyzikální sloučenina je ve stejném (plynném) stavu.

Uvažuje se o reakci heterogenně katalyzovaný když jsou katalyzátor a reaktant (reaktanty) v různých fázích, přičemž reakce probíhá na rozhraní mezi nimi (nejčastěji „plyn-pevná hranice“). Některé z běžnějších heterogenních katalyzátorů zahrnují anorganické - tj. Neobsahující uhlík - pevné látky, jako jsou elementární kovy, sulfidy a kovové soli, jakož i roztříštění organických látek, mezi nimi hydroperoxidy a ionty výměníky.

Zeolity jsou důležitou třídou heterogenních katalyzátorů. Jedná se o krystalické pevné látky tvořené opakujícími se jednotkami SiO₄. Jednotky čtyř z těchto spojených molekul jsou vzájemně spojeny za vzniku různých kruhových a klecových struktur. Přítomnost atomu hliníku v krystalu vytváří nerovnováhu náboje, která je kompenzována protonem (tj. Vodíkovým iontem).

Enzymy jsou proteiny, které fungují jako katalyzátory v živých systémech. Tyto enzymy mají složky nazývané vazebná místa pro substrát nebo aktivní místa, kde se připojují molekuly zapojené do reakce za katalýzy. Složky všech proteinů jsou aminokyseliny a každá z těchto jednotlivých kyselin má nerovnoměrné rozložení náboje z jednoho konce na druhý. Tato vlastnost je hlavním důvodem, proč mají enzymy katalytické schopnosti.

Aktivní místo na enzymu zapadá do správné části substrátu (reaktantu) spíše jako klíč vstupující do zámku. Všimněte si, že dříve popsané katalyzátory často katalyzují řadu odlišných reakcí, a proto nemají takovou chemickou specificitu jako enzymy.

Obecně platí, že pokud je přítomno více substrátu a více enzymu, reakce bude probíhat rychleji. Pokud je ale přidáno více a více substrátu bez přidání dalšího enzymu, je to všechno enzymatické vazebná místa se nasytí a reakce dosáhla maximální rychlosti pro daný enzym koncentrace. Každá reakce katalyzovaná enzymem může být vyjádřena jako meziprodukty vytvořené v důsledku přítomnosti enzymu. To znamená, místo psaní:

S → P

Chcete-li zobrazit substrát, který se transformuje na produkt, můžete to znázornit jako:

E + S → ES → E + P

přičemž střednědobý termín je komplex enzym-substrát (ES).

Enzymy, i když jsou klasifikovány jako kategorie katalyzátoru odlišná od výše uvedených, mohou být buď homogenní nebo heterogenní.

Enzymy fungují optimálně v úzkém teplotním rozmezí, což dává smysl za předpokladu, že vaše tělesná teplota za běžných podmínek nekolísá o více než několik stupňů. Extrémní teplo ničí mnoho enzymů a způsobuje, že ztrácejí svůj specifický trojrozměrný tvar, což je proces zvaný denaturace, který se vztahuje na všechny proteiny.