Διαφορετικοί τύποι καταλυτών

Στη χημεία, α καταλύτης είναι μια ουσία που επιταχύνει τον ρυθμό μιας αντίδρασης χωρίς να καταναλώνεται από μόνη της στην αντίδραση. Οποιαδήποτε αντίδραση που χρησιμοποιεί καταλύτη ονομάζεται κατάλυση. Να είστε προσεκτικοί σχετικά με αυτήν τη διάκριση κατά την ανάγνωση υλικού χημείας ένας καταλύτης (πληθυντικός "καταλύτες") είναι μια φυσική ουσία, αλλά η κατάλυση (πληθυντικός "κατάλυση") είναι μια διαδικασία.

Μια επισκόπηση κάθε κατηγορίας καταλυτών είναι ένα χρήσιμο σημείο εκκίνησης για την εκμάθηση της αναλυτικής χημείας και να κατανοήσουμε τι συμβαίνει σε μοριακό επίπεδο όταν αναμιγνύετε ουσίες και συμβαίνει μια αντίδραση. Οι καταλύτες και οι σχετικές καταλυτικές αντιδράσεις τους έρχονται σε τρεις κύριους τύπους: ομοιογενείς καταλύτες, ετερογενείς καταλύτες και βιοκαταλύτες (συνήθως ονομάζονται ένζυμα). Οι λιγότερο συνηθισμένοι αλλά ακόμη σημαντικοί τύποι καταλυτικών δραστηριοτήτων περιλαμβάνουν φωτοκατάλυση, περιβαλλοντική κατάλυση και πράσινες καταλυτικές διεργασίες.

Η πλειονότητα των στερεών καταλυτών είναι μέταλλα (π.χ. λευκόχρυσο ή νικέλιο) ή σχεδόν μέταλλα (π.χ. πυρίτιο, βόριο και αλουμίνιο) που συνδέονται με στοιχεία όπως οξυγόνο και θείο. Οι καταλύτες που βρίσκονται στη φάση υγρού ή αερίου είναι πιθανότερο να αποτελούνται από ένα μόνο στοιχείο, αν και μπορούν να συνδυαστούν με διαλύτες και άλλο υλικό, και στερεοί καταλύτες μπορούν να διαδοθούν εντός ενός στερεού ή υγρού πλέγματος γνωστού ως καταλύτη.

Οι καταλύτες επιταχύνουν τις αντιδράσεις μειώνοντας το ενέργεια ενεργοποίησης μι_ένα μιας αντίδρασης που θα προχωρούσε χωρίς τον καταλύτη, αλλά πολύ πιο αργά. Τέτοιες αντιδράσεις έχουν ένα προϊόν ή προϊόντα με χαμηλότερη συνολική ενέργεια από εκείνη του αντιδρώντος ή των αντιδρώντων. Αν δεν συνέβαινε αυτό, αυτές οι αντιδράσεις δεν θα εμφανίζονταν χωρίς την προσθήκη εξωτερικής ενέργειας. Αλλά για να μεταβείτε από την υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση στην χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, τα προϊόντα πρέπει να «ξεπεράσουν την καμπούρα» πρώτα, ότι η «καμπούρα» είναι το Ε_ένα. Οι καταλύτες στην ουσία εξομαλύνουν τα χτυπήματα κατά μήκος του δρόμου αντίδρασης-ενέργειας, διευκολύνοντας το αντιδραστήρια για να φτάσουν στην ενέργεια "downslope" της αντίδρασης μειώνοντας απλώς την ανύψωση του "στην κορυφή του λόφου."

Τα χημικά συστήματα διαθέτουν παραδείγματα θετικών και αρνητικών καταλυτών, με τους πρώτους να τείνουν να επιταχύνουν το ρυθμό της αντίδρασης και οι αρνητικοί καταλύτες να τους επιβραδύνουν. Και οι δύο μπορούν να είναι επωφελείς, ανάλογα με το επιθυμητό συγκεκριμένο αποτέλεσμα

Οι καταλύτες εκτελούν το έργο τους συνδέοντας προσωρινά ή αλλιώς χημικά τροποποιώντας ένα από τα αντιδραστήρια και αλλάζοντας τη φυσική του διαμόρφωση, ή τρισδιάστατο σχήμα, με τρόπο που διευκολύνει τη μετατροπή του αντιδραστηρίου ή των αντιδρώντων σε ένα από τα προϊόντα. Φανταστείτε να έχετε ένα σκυλί που έχει κυλήσει στη λάσπη και πρέπει να είναι καθαρό πριν μπορέσει να μπει μέσα. Η λάσπη θα έβγαινε από το σκύλο από μόνη της τελικά, αλλά αν μπορούσες να κάνεις κάτι που ωθούσε τον σκύλο προς την κατεύθυνση του καταιονισμού της αυλής έτσι ώστε η λάσπη να ψεκάζεται γρήγορα από τη γούνα της, θα λειτουργούσατε ουσιαστικά ως "καταλύτης" της αντίδρασης του βρώμικου σκύλου στον καθαρό σκύλο. "

Τις περισσότερες φορές, ένα ενδιάμεσο προϊόν που δεν φαίνεται σε οποιαδήποτε συνηθισμένη περίληψη της αντίδρασης σχηματίζεται από ένα αντιδραστήριο και τον καταλύτη, και όταν αυτό το σύμπλεγμα μετατραπεί σε ένα ή περισσότερα τελικά προϊόντα, ο καταλύτης αναγεννάται σαν να μην είχε συμβεί τίποτα σε κανένα από αυτά στο όλα. Όπως θα δείτε σύντομα, αυτή η διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί με διάφορους τρόπους.

Θεωρείται μια αντίδραση ομοιογενώς καταλύεται όταν ο καταλύτης και τα αντιδραστήρια είναι στην ίδια φυσική κατάσταση ή φάση Αυτό συμβαίνει συχνότερα με ζεύγη αερίων-καταλύτη. Οι τύποι ομογενών καταλυτών περιλαμβάνουν οργανικά οξέα στα οποία το άτομο υδρογόνου που δίνεται αντικαθίσταται από ένα μέταλλο, α αριθμός ενώσεων που αναμιγνύουν στοιχεία άνθρακα και μετάλλου σε κάποια μορφή, και ενώσεις καρβονυλίου ενώνονται σε κοβάλτιο ή σίδερο.

Ένα παράδειγμα αυτού του τύπου κατάλυσης που περιλαμβάνει υγρά είναι η μετατροπή υπερθειικών και ιωδιούχων ιόντων σε θειικά ιόντα και ιώδιο:

μικρό₂Ο₈^2- + 2 Ι^- → 2 SO₄^2- + Εγώ₂

Αυτή η αντίδραση θα δυσκολευόταν να προχωρήσει μόνη της παρά τα ευνοϊκά ενεργητικά, γιατί και τα δύο τα αντιδραστήρια φορτίζονται αρνητικά και συνεπώς οι ηλεκτροστατικές τους ιδιότητες έρχονται σε αντίθεση με τη χημική τους ποιότητες. Αλλά αν τα ιόντα σιδήρου, τα οποία φέρουν θετικό φορτίο, προστίθενται στο μείγμα, ο σίδηρος «αποσπά την προσοχή» των αρνητικών φορτίων και η αντίδραση κινείται γρήγορα.

Μια φυσική αέρια ομογενής κατάλυση είναι η μετατροπή αερίου οξυγόνου, ή Ο₂, στην ατμόσφαιρα για το όζον ή το Ο₃, όπου ρίζες οξυγόνου (O^-) είναι ενδιάμεσα. Εδώ, το υπεριώδες φως από τον ήλιο είναι ο πραγματικός καταλύτης, αλλά κάθε φυσική ένωση που υπάρχει βρίσκεται στην ίδια κατάσταση (αέριο).

Θεωρείται μια αντίδραση ετερογενώς καταλύεται όταν ο καταλύτης και το αντιδραστήριο (α) βρίσκονται σε διαφορετικές φάσεις, με την αντίδραση να συμβαίνει στη διεπαφή μεταξύ τους (συνηθέστερα, το αέριο-στερεό "όριο"). Μερικοί από τους πιο κοινούς ετερογενείς καταλύτες περιλαμβάνουν ανόργανα - δηλαδή, που δεν περιέχουν άνθρακα - στερεά όπως στοιχειακά μέταλλα, σουλφίδια και μεταλλικά άλατα, καθώς και ένα σπάσιμο οργανικών ουσιών, μεταξύ των οποίων υδροϋπεροξείδια και ιόντα εναλλάκτες.

Οι ζεόλιθοι είναι μια σημαντική κατηγορία ετερογενών καταλυτών. Αυτά είναι κρυσταλλικά στερεά που αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες μονάδες SiO₄. Μονάδες τεσσάρων από αυτά τα ενωμένα μόρια συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν διαφορετικές δομές δακτυλίου και κλωβού. Η παρουσία ενός ατόμου αλουμινίου στον κρύσταλλο δημιουργεί μια ανισορροπία φορτίου, η οποία αντισταθμίζεται από ένα πρωτόνιο (δηλαδή, ένα ιόν υδρογόνου).

Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες που λειτουργούν ως καταλύτες στα ζωντανά συστήματα. Αυτά τα ένζυμα έχουν συστατικά που ονομάζονται θέσεις δέσμευσης υποστρώματος ή ενεργές θέσεις, όπου τα μόρια που εμπλέκονται στην αντίδραση υπό κατάλυση συνδέονται. Τα συστατικά μέρη όλων των πρωτεϊνών είναι αμινοξέα και καθένα από αυτά τα μεμονωμένα οξέα έχει μια άνιση κατανομή φορτίου από το ένα άκρο στο άλλο. Αυτή η ιδιότητα είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο τα ένζυμα διαθέτουν καταλυτικές δυνατότητες.

Η ενεργή θέση στο ένζυμο ταιριάζει με το σωστό μέρος του υποστρώματος (αντιδρώντα) μάλλον σαν ένα κλειδί που μπαίνει σε κλειδαριά. Σημειώστε ότι οι καταλύτες που περιγράφηκαν νωρίτερα συχνά καταλύουν μια σειρά ανόμοιων αντιδράσεων και επομένως δεν διαθέτουν το βαθμό χημικής ειδικότητας που τα ένζυμα.

Γενικά, όταν υπάρχουν περισσότερα υποστρώματα και περισσότερα ένζυμα, η αντίδραση θα προχωρήσει πιο γρήγορα. Αλλά αν προστεθεί όλο και περισσότερο υπόστρωμα χωρίς να προστεθεί περισσότερο ένζυμο, όλα τα ενζυματικά οι θέσεις σύνδεσης γίνονται κορεσμένες και η αντίδραση έχει φτάσει στο μέγιστο ρυθμό για αυτό το ένζυμο συγκέντρωση. Κάθε αντίδραση που καταλύεται από ένα ένζυμο μπορεί να αναπαρασταθεί ως προς τα ενδιάμεσα προϊόντα που σχηματίζονται λόγω της παρουσίας του ενζύμου. Δηλαδή, αντί να γράφετε:

S → Ρ

για να δείξετε ότι ένα υπόστρωμα μετατρέπεται σε προϊόν, μπορείτε να το απεικονίσετε ως:

E + S → ES → E + P

όπου ο μεσαίος όρος είναι το σύμπλοκο ενζύμου-υποστρώματος (ES)

Τα ένζυμα, αν και ταξινομούνται ως κατηγορία καταλυτών διαφορετικών από αυτά που αναφέρονται παραπάνω, μπορεί να είναι είτε ομοιογενή είτε ετερογενή.

Τα ένζυμα λειτουργούν βέλτιστα σε ένα στενό εύρος θερμοκρασίας, κάτι που έχει νόημα δεδομένου ότι η θερμοκρασία του σώματός σας δεν κυμαίνεται περισσότερο από μερικούς βαθμούς σε κανονικές συνθήκες. Η υπερβολική θερμότητα καταστρέφει πολλά ένζυμα και τα αναγκάζει να χάσουν το συγκεκριμένο τρισδιάστατο σχήμα τους, μια διαδικασία που ονομάζεται μετουσίωση που εφαρμόζεται σε όλες τις πρωτεΐνες.