Forskellige typer katalysatorer

I kemi, a katalysator er et stof, der fremskynder hastigheden for en reaktion uden selv at blive indtaget i reaktionen. Enhver reaktion, der gør brug af en katalysator, betegnes katalyse. Vær forsigtig med denne skelnen, når du læser kemimateriale; en katalysator (flertal "katalysatorer") er en fysisk substans, men katalyse (flertal "katalyserer") er en proces.

En oversigt over hver af klasserne af katalysatorer er et nyttigt udgangspunkt for at lære analytisk kemi og forstå, hvad der sker på molekylært niveau, når du blander stoffer sammen, og der opstår en reaktion. Katalysatorer og deres tilknyttede katalytiske reaktioner findes i tre hovedtyper: homogene katalysatorer, heterogene katalysatorer og biokatalysatorer (normalt kaldet enzymer). Mindre almindelige, men stadig vigtige typer katalysatoraktiviteter inkluderer fotokatalyse, miljøkatalyse og grønne katalytiske processer.

Størstedelen af ​​faste katalysatorer er metaller (fx platin eller nikkel) eller næsten metaller (fx silicium, bor og aluminium), der er bundet til grundstoffer såsom ilt og svovl. Katalysatorer, der er i væske- eller gasfasen, består mere sandsynligt af et enkelt element, skønt de kan kombineres med opløsningsmidler og andet materiale og faste katalysatorer kan spredes i en fast eller flydende matrix kendt som en katalysatorbærer.

Katalysatorer fremskynder reaktionerne ved at sænke aktiveringsenergi E_-en af en reaktion, der ville fortsætte uden katalysatoren, men langt langsommere. Sådanne reaktioner har et produkt eller produkter med en lavere total energi end reaktanten eller reaktanterne; hvis dette ikke var tilfældet, ville disse reaktioner ikke forekomme uden tilsætning af ekstern energi. Men for at komme fra den højere energitilstand til den lavere energitilstand, skal produkterne først "komme over pukkel", idet "pukkel" er E_-en. Katalysatorer udjævner i det væsentlige bumpene langs reaktionsenergivejen ved at gøre det lettere for reaktanter for at komme til energiens "nedadgående" reaktion ved blot at sænke højden af "bakketop."

Kemiske systemer har eksempler på positive og negative katalysatorer, hvor førstnævnte har tendens til at fremskynde reaktionshastigheden, og negative katalysatorer tjener til at bremse dem. Begge kan være fordelagtige afhængigt af det ønskede specifikke resultat.

Katalysatorer udfører deres arbejde ved midlertidigt at binde til eller på anden måde kemisk modificere en af ​​reaktanterne og ændre dens fysiske konformation eller tredimensionel form på en måde, der gør det lettere for reaktanten eller reaktanterne at blive omdannet til en af Produkter. Forestil dig at have en hund, der har rullet i mudderet og skal være ren, før den kan komme ind. Mudderet kom til sidst af hunden af ​​sig selv, men hvis du kunne gøre noget, der bød hunden i retning af gårdsprinkleren så mudderet hurtigt blev sprøjtet af sin pels, ville du have tjent som en "katalysator" for den snavsede hund til "hundens" reaktion. "

Oftest dannes et mellemprodukt, der ikke er vist i nogen almindelig sammenfatning af reaktionen, ud fra en reaktant og katalysatoren, og når dette kompleks ændres til et eller flere slutprodukter, regenereres katalysatoren som om intet nogensinde var sket med noget af det på alle. Som du snart vil se, kan denne proces finde sted på en række forskellige måder.

En reaktion overvejes homogent katalyseret når katalysatoren og reaktanten / reaktanterne er i samme fysiske tilstand eller fase. Dette sker oftest med gasformige katalysator-reaktantpar. Typer af homogene katalysatorer inkluderer organiske syrer, hvor det donerede hydrogenatom er erstattet med et metal, a antallet af forbindelser, der blander kulstof og metalelementer i en eller anden form, og carbonylforbindelser forbundet med cobalt eller jern.

Et eksempel på denne type katalyse, der involverer væsker, er omdannelsen af ​​persulfat- og iodidioner til sulfation og iod:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + Jeg₂

Denne reaktion ville have en vanskelig tid at fortsætte alene på trods af den gunstige energetik, fordi begge reaktanter er negativt ladede, og derfor er deres elektrostatiske egenskaber i modsætning til deres kemiske kvaliteter. Men hvis der tilsættes jernioner, som har en positiv ladning, til blandingen, "distraherer" jernet de negative ladninger, og reaktionen bevæger sig hurtigt fremad.

En naturligt forekommende gasformig homogen katalyse er omdannelsen af ​​iltgas eller O₂, i atmosfæren til ozon eller O₃hvor iltradikaler (O^-) er mellemprodukter. Her er ultraviolet lys fra solen den sande katalysator, men enhver fysisk tilstedeværende forbindelse er i den samme (gas) tilstand.

En reaktion overvejes heterogent katalyseret når katalysatoren og reaktanten / reaktanterne er i forskellige faser, hvor reaktionen finder sted ved grænsefladen mellem dem (mest almindeligt den gas-faste "kant"). Nogle af de mere almindelige heterogene katalysatorer indbefatter uorganiske - det vil sige ikke-kulstofholdige - faste stoffer, såsom elementære metaller, sulfider og metalliske salte samt en smatter af organiske stoffer, blandt dem hydroperoxider og ion byttere.

Zeolitter er en vigtig klasse af heterogene katalysatorer. Disse er krystallinske faste stoffer, der består af gentagne enheder af SiO₄. Enheder på fire af disse sammenføjede molekyler er bundet sammen for at danne forskellige ring- og burstrukturer. Tilstedeværelsen af ​​et aluminiumatom i krystallen skaber en ladningsubalance, der opvejes af en proton (dvs. en hydrogenion).

Enzymer er proteiner, der fungerer som katalysatorer i levende systemer. Disse enzymer har komponenter kaldet substratbindingssteder eller aktive steder, hvor molekylerne involveret i reaktionen under katalyse bliver bundet. Komponentdelene i alle proteiner er aminosyrer, og hver af disse individuelle syrer har en ujævn ladningsfordeling fra den ene ende til den anden. Denne egenskab er hovedårsagen til, at enzymer har katalytiske egenskaber.

Det aktive sted på enzymet passer sammen med den korrekte del af substratet (reaktant) snarere som en nøgle, der går ind i en lås. Bemærk, at katalysatorerne, der er beskrevet tidligere, ofte katalyserer en række forskellige reaktioner og derfor ikke har den grad af kemisk specificitet, som enzymer gør.

Når mere substrat og mere af et enzym er til stede, vil reaktionen generelt gå hurtigere. Men hvis der tilføjes mere og mere substrat uden at tilføje mere enzym også, er alt det enzymatiske bindingssteder bliver mættede, og reaktionen har nået sin maksimale hastighed for dette enzym koncentration. Hver reaktion katalyseret af et enzym kan repræsenteres i form af de mellemprodukter, der dannes på grund af tilstedeværelsen af ​​enzymet. Det vil sige i stedet for at skrive:

S → P

for at vise et substrat transformeres til et produkt, kan du skildre dette som:

E + S → ES → E + P

hvor mellemudtrykket er enzym-substrat (ES) -komplekset.

Enzymer, selvom de er klassificeret som en kategori af katalysatorer, der adskiller sig fra de anført ovenfor, kan være enten homogene eller heterogene.

Enzymer fungerer optimalt inden for et snævert temperaturinterval, hvilket giver mening i betragtning af at din kropstemperatur ikke svinger mere end et par grader under normale forhold. Ekstrem varme ødelægger mange enzymer og får dem til at miste deres specifikke tredimensionelle form, en proces kaldet denaturering, der gælder for alle proteiner.