Različite vrste katalizatora

U kemiji, a katalizator je tvar koja ubrzava brzinu reakcije, a da se sama ne potroši u reakciji. Svaka reakcija koja koristi katalizator naziva se kataliza. Pazite na ovu razliku kad čitate kemijski materijal; katalizator (množina "katalizatori") je fizička tvar, ali kataliza (množina "katalizatori") je postupak.

Pregled svake klase katalizatora korisno je polazište u učenju analitičke kemije i razumijevanje onoga što se događa na molekularnoj razini kada tvari pomiješate i dogodi se reakcija. Katalizatori i s njima povezane katalitičke reakcije postoje u tri glavne vrste: homogeni katalizatori, heterogeni katalizatori i biokatalizatori (obično zvani enzimi). Rjeđe, ali još uvijek važne vrste aktivnosti katalizatora uključuju fotokatalizu, katalizu okoliša i zelene katalitičke procese.

Većina čvrstih katalizatora su metali (npr. Platina ili nikal) ili gotovo metali (npr. Silicij, bor i aluminij) koji su pričvršćeni na elemente poput kisika i sumpora. Vjerojatnije je da se katalizatori koji se nalaze u tekućoj ili plinskoj fazi sastoje od jednog elementa, iako se mogu kombinirati s njima otapala i drugi materijal, a kruti katalizatori mogu se diseminirati unutar krute ili tekuće matrice koja je poznata kao nosač katalizatora.

Katalizatori ubrzavaju reakcije snižavanjem energija aktivacije E_a reakcije koja bi se odvijala bez katalizatora, ali daleko sporije. Takve reakcije imaju proizvod ili proizvode s manjom ukupnom energijom od reaktanta ili reaktanata; da to nije slučaj, ove reakcije ne bi se dogodile bez dodavanja vanjske energije. Ali da bi iz višeg energetskog stanja prešli u niže energetsko stanje, proizvodi moraju prvo "preći preko grbe", a ta "grba" je E_a. Katalizatori u osnovi izravnavaju neravnine duž reakcijsko-energetske ceste olakšavajući reaktanti doći do energetskog "pada" reakcije jednostavnim snižavanjem nadmorske visine "vrh brda".

Kemijski sustavi sadrže primjere pozitivnih i negativnih katalizatora, pri čemu prvi nastoje ubrzati brzinu reakcije, a negativni katalizatori služe za njihovo usporavanje. Oboje mogu biti korisni, ovisno o željenom konkretnom ishodu.

Katalizatori svoj rad privremeno povezuju ili na neki drugi način kemijski modificiraju jedan od reaktanata i mijenjaju njegov fizički ili trodimenzionalni oblik, na način koji olakšava pretvaranje reaktanata ili reaktanata u jedan od proizvoda. Zamislite da imate psa koji se valjao u blatu i mora biti čist prije nego što uđe unutra. Blato bi se na kraju samo odvojilo od psa, ali ako biste mogli učiniti nešto što je psa nagnalo u smjeru dvorišne prskalice kako bi se blato brzo raspršilo s krzna, vi biste zapravo služili kao "katalizator" reakcije prljavog psa na čistog psa.

Najčešće se intermedijarni proizvod koji nije prikazan ni u jednom uobičajenom sažetku reakcije tvori od reaktanta i katalizatora, i kada se ovaj kompleks promijeni u jedan ili više konačnih proizvoda, katalizator se regenerira kao da se ni jednom od njih ništa nije dogodilo svi. Kao što ćete uskoro vidjeti, taj se postupak može odvijati na razne načine.

Razmatra se reakcija homogeno kataliziran kada su katalizator i reaktant (i) u istom agregatnom stanju ili fazi. To se najčešće događa s plinovitim parovima katalizator-reaktant. Tipovi homogenih katalizatora uključuju organske kiseline u kojima je donirani atom vodika zamijenjen metalom, a broj spojeva koji u nekom obliku miješaju ugljične i metalne elemente, i karbonilni spojevi spojeni s kobaltom ili željezo.

Primjer ove vrste katalize koja uključuje tekućine je pretvaranje persulfata i jodidnih iona u sulfatni ion i jod:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 PA₄^2- + Ja₂

Ova reakcija teško bi se mogla sama nastaviti, unatoč povoljnoj energiji, jer oboje reaktanti su negativno nabijeni i stoga su njihove elektrostatske osobine u suprotnosti s njihovim kemijskim sastojcima kvalitete. Ali ako se smjesi dodaju ioni željeza koji nose pozitivan naboj, željezo "odvlači" negativne naboje i reakcija se brzo kreće naprijed.

Plinovita homogena kataliza koja se javlja u prirodi je pretvorba plinovitog kisika ili O₂, u atmosferi do ozona ili O₃, gdje su radikali kisika (O^-) su međuprodukti. Ovdje je ultraljubičasto svjetlo sunca pravi katalizator, ali svaki prisutni fizički spoj je u istom (plinskom) stanju.

Razmatra se reakcija heterogeni katalizirani kada su katalizator i reaktant (i) u različitim fazama, pri čemu se reakcija odvija na međusobnom sučelju (najčešće "granica" plin-krutina). Neki od češćih heterogenih katalizatora uključuju anorganske - tj. Krutine koje ne sadrže ugljik poput elementarnih metali, sulfidi i metalne soli, kao i malo organskih tvari, među kojima su hidroperoksidi i ioni izmjenjivači.

Zeoliti su važna klasa heterogenih katalizatora. To su kristalne čvrste tvari koje se sastoje od ponavljajućih jedinica SiO₄. Jedinice četiriju ovih spojenih molekula povezane su zajedno kako bi stvorile različite strukture prstena i kaveza. Prisutnost atoma aluminija u kristalu stvara neravnotežu naboja, koju nadoknađuje proton (tj. Vodikov ion).

Enzimi su proteini koji djeluju kao katalizatori u živim sustavima. Ti enzimi imaju komponente nazvane mjesta vezanja supstrata ili aktivna mjesta na kojima se molekule uključene u reakciju pod katalizom vežu. Sastavni dijelovi svih proteina su aminokiseline, a svaka od tih pojedinačnih kiselina ima neravnomjernu raspodjelu naboja s jednog na drugi kraj. Ovo je svojstvo glavni razlog zbog kojeg enzimi posjeduju katalitičke sposobnosti.

Aktivno mjesto na enzimu uklapa se zajedno s ispravnim dijelom supstrata (reaktanta), više poput ključa koji ulazi u bravu. Imajte na umu da ranije opisani katalizatori često kataliziraju niz različitih reakcija i stoga nemaju stupanj kemijske specifičnosti koji imaju enzimi.

Općenito, kada je prisutno više supstrata i više enzima, reakcija će se odvijati brže. Ali ako se doda sve više i više supstrata bez dodavanja više enzima, svi enzimi mjesta vezanja postaju zasićena i reakcija je dosegla maksimalnu brzinu za taj enzim koncentracija. Svaka reakcija katalizirana enzimom može se predstaviti u terminima intermedijarnih produkata nastalih zahvaljujući prisutnosti enzima. Odnosno, umjesto pisanja:

S → P.

da biste prikazali supstrat koji se pretvara u proizvod, možete to prikazati kao:

E + S → ES → E + P

pri čemu je srednji pojam kompleks enzim-supstrat (ES).

Enzimi, iako klasificirani kao kategorija katalizatora, različiti od gore navedenih, mogu biti homogeni ili heterogeni.

Enzimi optimalno funkcioniraju u uskom temperaturnom rasponu, što ima smisla s obzirom na to da tjelesna temperatura u normalnim uvjetima ne oscilira za više od nekoliko stupnjeva. Ekstremna toplina uništava mnoge enzime i uzrokuje da izgube svoj specifični trodimenzionalni oblik, proces koji se naziva denaturacija i odnosi se na sve proteine.