Erilaiset katalyytit

Kemiassa a katalyytti on aine, joka nopeuttaa reaktion nopeutta kuluttamatta itseään reaktiossa. Kaikkia katalyyttiä käyttäviä reaktioita kutsutaan katalyysi. Ole varovainen tämän eron suhteen lukiessasi kemian aineistoa; katalyytti (monikko "katalyytit") on fysikaalinen aine, mutta katalyysi (monikko "katalyytit") on prosessi.

Katsaus katalysaattoriluokkiin on hyödyllinen lähtökohta analyyttisen kemian oppimiselle ja ymmärtäminen, mitä tapahtuu molekyylitasolla, kun sekoitat aineita yhteen ja tapahtuu reaktio. Katalyyttejä ja niihin liittyviä katalyyttisiä reaktioita on kolme päätyyppiä: homogeeniset katalysaattorit, heterogeeniset katalyytit ja biokatalyytit (joita kutsutaan yleensä entsyymeiksi). Harvinaisempia mutta silti tärkeitä katalyyttiaktiviteetteja ovat fotokatalyysi, ympäristökatalyysi ja vihreät katalyyttiset prosessit.

Suurin osa kiinteistä katalyytteistä on metalleja (esim. Platina tai nikkeli) tai lähellä olevia metalleja (esim. Pii, boori ja alumiini), jotka on kiinnitetty elementteihin, kuten happeen ja rikkiin. Neste- tai kaasufaasissa olevat katalyytit koostuvat todennäköisemmin yhdestä elementistä, vaikka niihin voidaan yhdistää liuottimet ja muu materiaali, ja kiinteät katalyytit voidaan levittää kiinteässä tai nestemäisessä matriisissa, joka tunnetaan katalyyttikantajana.

Katalyytit nopeuttavat reaktioita laskemalla aktivointienergia E_a reaktion, joka etenisi ilman katalysaattoria, mutta paljon hitaammin. Tällaisissa reaktioissa on tuote tai tuotteita, joiden kokonaisenergia on pienempi kuin reagoivan aineen tai reagenssien; ellei näin olisi, näitä reaktioita ei tapahtuisi ilman ulkoisen energian lisäämistä. Mutta päästäkseen korkeamman energian tilasta alemman energian tilaan tuotteiden on ensin "ylitettävä kumpu", joka "kumpu" on E_a. Katalyytit tasoittavat pohjimmiltaan reaktioenergiatien kuoppia helpottamalla sitä reaktantit päästäkseen reaktion energian "alamäkeen" yksinkertaisesti laskemalla reaktion korkeutta "kukkulan laella".

Kemiallisissa järjestelmissä on esimerkkejä positiivisista ja negatiivisista katalyytteistä, joista ensimmäiset pyrkivät nopeuttamaan reaktionopeutta ja negatiiviset katalyytit hidastavat niitä. Molemmat voivat olla edullisia halutusta lopputuloksesta riippuen.

Katalyytit suorittavat työnsä sitoutumalla väliaikaisesti johonkin reaktantista tai muuten kemiallisesti muokkaamalla sitä ja muuttamalla sen fysikaalista konformaatio tai kolmiulotteinen muoto tavalla, joka helpottaa reagenssin tai reagenssien muuttumista yhdeksi Tuotteet. Kuvittele, että sinulla on koiraa, joka on rullannut mutaan ja jonka on oltava puhdas, ennen kuin se voi tulla sisälle. Muta irtoaisi lopulta koirasta itsestään, mutta jos voisit tehdä jotain, joka sai koiran pihan sprinklerin suuntaan jotta muta ruiskutettaisiin turkistaan ​​nopeasti, olisit tosiasiallisesti toiminut "katalysaattorina" likaisesta koirasta puhtaan koiran "reaktioon".

Useimmiten välituote, jota ei ole esitetty missään tavallisessa reaktion yhteenvedossa, muodostuu reagenssista ja katalyytistä, ja kun tämä kompleksi muutetaan yhdeksi tai useammaksi lopputuotteeksi, katalyytti regeneroidaan ikään kuin sille ei olisi koskaan tapahtunut mitään kaikki. Kuten näet pian, tämä prosessi voi tapahtua monin eri tavoin.

Reaktio otetaan huomioon homogeenisesti katalysoitu kun katalyytti ja reagenssi (reaktantit) ovat samassa fysikaalisessa tilassa tai faasissa. Tämä tapahtuu useimmiten kaasumaisilla katalyytti-reagenssipareilla. Homogeenisten katalyyttien tyyppeihin sisältyvät orgaaniset hapot, joissa luovutettu vetyatomi korvataan metallilla, a luku yhdisteitä, joissa sekoitetaan hiili - ja metallielementtejä jossakin muodossa, ja karbonyyliyhdisteet, jotka on liitetty kobolttiin tai rauta.

Esimerkki tämän tyyppisestä nesteitä sisältävästä katalyysistä on persulfaatti- ja jodidi-ionien muuntaminen sulfaatti-ioneiksi ja jodiksi:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + I₂

Tällä reaktiolla olisi vaikea edetä itsestään suotuisasta energiasta huolimatta, koska molemmat reagoivat aineet ovat negatiivisesti varautuneita ja siksi niiden sähköstaattiset ominaisuudet ovat vastakkaisia ​​niiden kemikaaleille ominaisuuksia. Mutta jos seokseen lisätään rautaioneja, joilla on positiivinen varaus, rauta "häiritsee" negatiivisia varauksia ja reaktio etenee nopeasti.

Luonnossa esiintyvä kaasumainen homogeeninen katalyysi on happikaasun tai O: n muunnos₂, ilmakehässä otsoniksi tai O₃, jossa happiradikaalit (O^-) ovat välituotteita. Täällä auringon ultraviolettivalo on todellinen katalysaattori, mutta kaikki läsnä olevat fysikaaliset yhdisteet ovat samassa tilassa (kaasu).

Reaktio otetaan huomioon heterogeenisesti katalysoitu kun katalyytti ja reagenssi (t) ovat eri vaiheissa, jolloin reaktio tapahtuu niiden välisellä rajapinnalla (yleisimmin kaasu-kiinteä "raja"). Joitakin yleisempiä heterogeenisiä katalyyttejä ovat epäorgaaniset eli hiiltä sisältämättömät kiinteät aineet, kuten alkuaine metallit, sulfidit ja metallisuolat sekä orgaanisten aineiden, myös hydroperoksidien ja ionien, sirpaloituminen lämmönvaihtimet.

Zeoliitit ovat tärkeä heterogeenisten katalyyttien luokka. Nämä ovat kiteisiä kiinteitä aineita, jotka koostuvat toistuvista SiO-yksiköistä₄. Näiden neljän yhdistetyn molekyylin yksiköt on kytketty yhteen muodostaen erilaiset rengas- ja häkkirakenteet. Alumiiniatomin läsnäolo kiteessä aiheuttaa varauksen epätasapainon, jonka kompensoi protoni (ts. Vetyioni).

Entsyymit ovat proteiineja, jotka toimivat katalysaattoreina elävissä järjestelmissä. Näillä entsyymeillä on komponentteja, joita kutsutaan substraatin sitoutumiskohdiksi tai aktiivisiksi paikoiksi, joihin katalyyttisen reaktion mukana olevat molekyylit kiinnittyvät. Kaikkien proteiinien komponentit ovat aminohappoja, ja kullakin näistä yksittäisistä hapoista varaus jakautuu epätasaisesti toisesta päästä toiseen. Tämä ominaisuus on tärkein syy entsyymeillä katalyyttikykyyn.

Entsyymin aktiivinen kohta sopii yhteen substraatin (reagoivan aineen) oikean osan kanssa pikemminkin kuin avain, joka menee lukkoon. Huomaa, että aiemmin kuvatut katalyytit katalysoivat usein joukon erilaisia ​​reaktioita, joten niillä ei ole kemiallisen spesifisyyden tasoa kuin entsyymeillä.

Yleensä kun läsnä on enemmän substraattia ja enemmän entsyymiä, reaktio etenee nopeammin. Mutta jos lisätään yhä enemmän substraattia lisäämättä myös entsyymiä, kaikki entsymaattiset sitoutumiskohdat kyllästyvät, ja reaktio on saavuttanut tälle entsyymille maksiminopeuden pitoisuus. Kutakin entsyymin katalysoimaa reaktiota voidaan esittää välituotteina, jotka muodostuvat entsyymin läsnäolon vuoksi. Eli kirjoittamisen sijaan:

S → P

näyttääksesi tuotteeksi muunnettavan substraatin, voit kuvata tämän seuraavasti:

E + S → ES → E + P

jolloin keskitermi on entsyymisubstraatti (ES) -kompleksi.

Entsyymit, vaikka ne luokitellaan katalysaattorien luokkaan erillään edellä luetelluista, voivat olla joko homogeenisia tai heterogeenisiä.

Entsyymit toimivat optimaalisesti kapealla lämpötila-alueella, mikä on järkevää, kun otetaan huomioon, että kehon lämpötila ei vaihtele muutamassa astetta tavallisissa olosuhteissa. Äärimmäinen lämpö tuhoaa monia entsyymejä ja saa ne menettämään spesifisen kolmiulotteisen muodonsa, denaturoinniksi kutsutun prosessin, joka koskee kaikkia proteiineja.