Verschiedene Arten von Katalysatoren

In der Chemie, a Katalysator ist eine Substanz, die die Geschwindigkeit einer Reaktion beschleunigt, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Jede Reaktion, die einen Katalysator verwendet, wird als bezeichnet Katalyse. Seien Sie vorsichtig mit dieser Unterscheidung, wenn Sie Chemiematerial lesen; ein Katalysator (Plural „Katalysatoren“) ist eine physikalische Substanz, aber Katalyse (Plural „Katalysatoren“) ist ein Prozess.

Ein Überblick über jede der Katalysatorklassen ist ein hilfreicher Ausgangspunkt für das Erlernen der analytischen Chemie und zu verstehen, was auf molekularer Ebene passiert, wenn man Substanzen zusammenmischt und eine Reaktion stattfindet. Katalysatoren und die damit verbundenen katalytischen Reaktionen gibt es in drei Haupttypen: homogene Katalysatoren, heterogene Katalysatoren und Biokatalysatoren (normalerweise Enzyme genannt). Weniger verbreitete, aber immer noch wichtige Arten von Katalysatoraktivitäten umfassen Photokatalyse, Umweltkatalyse und grüne katalytische Prozesse.

Die Mehrheit der festen Katalysatoren sind Metalle (z. B. Platin oder Nickel) oder nahe Metalle (z. B. Silizium, Bor und Aluminium), die an Elemente wie Sauerstoff und Schwefel gebunden sind. Katalysatoren, die sich in der Flüssig- oder Gasphase befinden, bestehen eher aus einem einzigen Element, obwohl sie kombiniert werden können mit Lösungsmittel und andere Materialien und feste Katalysatoren können innerhalb einer festen oder flüssigen Matrix, die als Katalysatorträger bekannt ist, verteilt werden.

Katalysatoren beschleunigen Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie E_ein einer Reaktion, die ohne Katalysator ablaufen würde, aber viel langsamer. Solche Reaktionen haben ein Produkt oder Produkte mit einer niedrigeren Gesamtenergie als die des Reaktanten oder der Reaktanten; wäre dies nicht der Fall, würden diese Reaktionen ohne die Zufuhr externer Energie nicht ablaufen. Aber um vom höheren Energiezustand in den niedrigeren Energiezustand zu gelangen, müssen die Produkte zuerst "über den Buckel" kommen, wobei dieser "Buckel" das E. ist_ein. Katalysatoren glätten im Wesentlichen die Unebenheiten entlang der Reaktionsenergiestraße, indem sie es dem Reaktanten, um zum Energie-"Gefälle" der Reaktion zu gelangen, indem einfach die Höhe der "Hügel."

Chemische Systeme weisen Beispiele für positive und negative Katalysatoren auf, wobei erstere die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigen und negative Katalysatoren dazu dienen, sie zu verlangsamen. Beides kann je nach gewünschtem Ergebnis vorteilhaft sein.

Katalysatoren verrichten ihre Arbeit, indem sie temporär an einen der Reaktanten binden oder ihn auf andere Weise chemisch modifizieren und seine physikalische ändern Konformation oder dreidimensionale Form in einer Weise, die es dem Reaktanten oder den Reaktanten erleichtert, in einen der Produkte. Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Hund, der sich im Schlamm gerollt hat und sauber sein muss, bevor er hineinkommen kann. Der Schlamm würde sich irgendwann von selbst vom Hund lösen, aber wenn Sie etwas tun könnten, das den Hund in Richtung des Rasensprengers schubst damit der Schlamm schnell von seinem Fell gespritzt würde, hättest du quasi als "Katalysator" der schmutzigen Hund-zu-sauberen Hund-"Reaktion" gedient.

In den meisten Fällen wird aus einem Reaktanten und dem Katalysator ein Zwischenprodukt gebildet, das in keiner gewöhnlichen Zusammenfassung der Reaktion gezeigt wird, und Wenn dieser Komplex in ein oder mehrere Endprodukte umgewandelt wird, wird der Katalysator regeneriert, als wäre ihm nie etwas passiert alle. Wie Sie gleich sehen werden, kann dieser Prozess auf verschiedene Weise ablaufen.

Eine Reaktion wird in Betracht gezogen homogen katalysiert wenn sich der Katalysator und der/die Reaktant(en) im gleichen physikalischen Zustand oder in der gleichen Phase befinden. Dies geschieht am häufigsten bei gasförmigen Katalysator-Reaktanden-Paaren. Zu den homogenen Katalysatoren gehören organische Säuren, bei denen das gespendete Wasserstoffatom durch ein Metall ersetzt ist, a Anzahl von Verbindungen, die Kohlenstoff- und Metallelemente in irgendeiner Form mischen, und Carbonylverbindungen, die mit Kobalt verbunden sind oder Eisen.

Ein Beispiel für diese Art der Katalyse mit Flüssigkeiten ist die Umwandlung von Persulfat- und Jodid-Ionen in Sulfationen und Jod:

S₂Ö₈^2- + 2 Ich^- → 2 SO₄^2- + ich₂

Diese Reaktion würde trotz der günstigen Energetik alleine nur schwer ablaufen, da beide Reaktanten sind negativ geladen und daher stehen ihre elektrostatischen Eigenschaften im Gegensatz zu ihren chemischen Qualitäten. Kommen aber positiv geladene Eisenionen hinzu, "lenkt" das Eisen die negativen Ladungen ab und die Reaktion schreitet schnell voran.

Eine natürlich vorkommende gasförmige homogene Katalyse ist die Umwandlung von Sauerstoffgas oder O₂, in der Atmosphäre zu Ozon oder O₃, wobei Sauerstoffradikale (O^-) sind Zwischenprodukte. Hier ist ultraviolettes Licht der Sonne der wahre Katalysator, aber jede vorhandene physikalische Verbindung befindet sich im gleichen (Gas-)Zustand.

Eine Reaktion wird in Betracht gezogen heterogen katalysiert wenn sich der Katalysator und der/die Reaktant(en) in unterschiedlichen Phasen befinden, wobei die Reaktion an der Grenzfläche zwischen ihnen stattfindet (am häufigsten die Gas-Feststoff-"Grenze"). Zu den gebräuchlicheren heterogenen Katalysatoren gehören anorganische – d. h. nicht kohlenstoffhaltige – Feststoffe wie elementare Metalle, Sulfide und Metallsalze sowie einige wenige organische Substanzen, darunter Hydroperoxide und Ionen Austauscher.

Zeolithe sind eine wichtige Klasse von heterogenen Katalysatoren. Dies sind kristalline Feststoffe, die aus sich wiederholenden Einheiten von SiO. bestehen₄. Einheiten von vier dieser verbundenen Moleküle sind miteinander verbunden, um verschiedene Ring- und Käfigstrukturen zu bilden. Das Vorhandensein eines Aluminiumatoms im Kristall erzeugt ein Ladungsungleichgewicht, das durch ein Proton (d. h. ein Wasserstoffion) ausgeglichen wird.

Enzyme sind Proteine, die in lebenden Systemen als Katalysatoren fungieren. Diese Enzyme haben Komponenten, die als Substratbindungsstellen oder aktive Stellen bezeichnet werden, an denen die an der katalytischen Reaktion beteiligten Moleküle angelagert werden. Die Bestandteile aller Proteine ​​sind Aminosäuren, und jede dieser einzelnen Säuren hat eine ungleichmäßige Ladungsverteilung von einem Ende zum anderen. Diese Eigenschaft ist der Hauptgrund, warum Enzyme katalytische Fähigkeiten besitzen.

Das aktive Zentrum des Enzyms fügt sich mit dem richtigen Teil des Substrats (Reaktanten) zusammen, ähnlich wie ein Schlüssel in ein Schloss. Beachten Sie, dass die zuvor beschriebenen Katalysatoren oft eine Reihe unterschiedlicher Reaktionen katalysieren und daher nicht den Grad an chemischer Spezifität aufweisen, den Enzyme besitzen.

Im Allgemeinen läuft die Reaktion schneller ab, wenn mehr Substrat und mehr Enzym vorhanden sind. Aber wenn immer mehr Substrat hinzugefügt wird, ohne auch noch mehr Enzyme hinzuzufügen, werden alle enzymatischen Bindungsstellen werden gesättigt und die Reaktion hat ihre maximale Geschwindigkeit für dieses Enzym erreicht Konzentration. Jede durch ein Enzym katalysierte Reaktion lässt sich durch die durch die Anwesenheit des Enzyms gebildeten Zwischenprodukte darstellen. Das heißt, anstatt zu schreiben:

S → P

Um zu zeigen, wie ein Substrat in ein Produkt umgewandelt wird, können Sie dies wie folgt darstellen:

E + S → ES → E + P

wobei der mittlere Begriff der Enzym-Substrat-(ES)-Komplex ist.

Obwohl Enzyme als Katalysatoren klassifiziert werden, die sich von den oben aufgeführten unterscheiden, können sie entweder homogen oder heterogen sein.

Enzyme funktionieren in einem engen Temperaturbereich optimal, was sinnvoll ist, da Ihre Körpertemperatur unter normalen Bedingungen nicht um mehr als ein paar Grad schwankt. Extreme Hitze zerstört viele Enzyme und führt dazu, dass sie ihre spezifische dreidimensionale Form verlieren, ein Vorgang, der Denaturierung genannt wird und für alle Proteine ​​gilt.