Különböző típusú katalizátorok

A kémia területén a katalizátor olyan anyag, amely felgyorsítja a reakció sebességét anélkül, hogy magát a reakcióban felemésztené. Minden olyan reakciót, amely katalizátort alkalmaz, nevezzük katalízis. Vigyázzon ezzel a megkülönböztetéssel a kémiai anyagok olvasása során; a katalizátor (többes számú "katalizátor") fizikai anyag, de a katalízis (többes számú "katalizátor") egy folyamat.

A katalizátorok egyes osztályainak áttekintése hasznos kiindulópont az analitikai kémia elsajátításában és annak megértése, hogy mi történik molekuláris szinten, ha anyagokat keverünk össze, és reakció következik be. A katalizátorok és a hozzájuk kapcsolódó katalitikus reakciók három fő típusba sorolhatók: homogén katalizátorok, heterogén katalizátorok és biokatalizátorok (ezeket általában enzimeknek nevezik). A kevésbé gyakori, de még mindig fontos típusú katalizátor tevékenységek közé tartozik a fotokatalízis, a környezeti katalízis és a zöld katalitikus folyamatok.

A szilárd katalizátorok többsége fémek (például platina vagy nikkel) vagy közeli fémek (például szilícium, bór és alumínium), amelyek olyan elemekhez kapcsolódnak, mint az oxigén és a kén. A folyékony vagy gázfázisban lévő katalizátorok nagyobb valószínűséggel egyetlen elemből állnak, bár kombinálhatók velük oldószerek és egyéb anyagok, valamint szilárd katalizátorok disszeminálhatók egy szilárd vagy folyékony mátrixban, amelyet katalizátor hordozónak nevezünk.

A katalizátorok felgyorsítják a reakciókat a aktiválási energia E_a olyan reakció, amely a katalizátor nélkül, de sokkal lassabban haladna. Az ilyen reakciók terméke vagy termékei alacsonyabb összenergiával rendelkeznek, mint a reagens vagy a reagensek; ha ez nem így lenne, akkor ezek a reakciók nem történnének meg külső energia hozzáadása nélkül. De ahhoz, hogy a magasabb energiájú állapotból az alacsonyabb energiájú állapotba kerülhessenek, a termékeknek először "felül kell jutniuk a púpon", amely "púp" az E_a. A katalizátorok lényegében kisimítják a reakció-energia út menti dudorokat, megkönnyítve ezzel a reaktánsok, hogy eljussanak a reakció energia "lejtőjéhez", egyszerűen csökkentve a reaktor magasságát "dombtetőn".

A kémiai rendszerek pozitív és negatív katalizátorokra mutatnak be példákat, amelyek előbbi a reakció sebességét gyorsítják, a negatív katalizátorok pedig lassítják őket. Mindkettő előnyös lehet, a kívánt konkrét eredménytől függően.

A katalizátorok úgy végzik munkájukat, hogy ideiglenesen kötődnek az egyik reaktánshoz vagy más módon kémiailag módosítják, és megváltoztatják annak fizikai tulajdonságait konformáció vagy háromdimenziós alak oly módon, hogy megkönnyítse a reagens vagy a reagensek átalakulását a Termékek. Képzelje el, hogy van egy kutyája, amely a sárba gurult, és tisztának kell lennie, mielőtt bejöhet. Az iszap végül a kutyáról jön le, de ha tehetsz valamit, ami a kutyát az udvari sprinkler irányába tereli Annak érdekében, hogy az iszap gyorsan elszóródjon a bundájáról, a piszkos kutyától a kutyáig tiszta reakció "katalizátorként" szolgáltál volna.

Leggyakrabban egy reakciótermékből és a katalizátorból képződik egy köztes termék, amelyet a reakció semmilyen szokásos összefoglalásában nem mutatunk be amikor ezt a komplexet egy vagy több végtermékké változtatják, a katalizátort úgy regenerálják, mintha soha semmi sem történt volna vele minden. Amint hamarosan látni fogod, ez a folyamat sokféle módon történhet.

A reakciót figyelembe vesszük homogénen katalizálva amikor a katalizátor és a reagens (ek) azonos fizikai állapotban vagy fázisban vannak. Ez leggyakrabban gázos katalizátor-reaktáns párokkal történik. A homogén katalizátorok típusai közé tartoznak azok a szerves savak, amelyekben az adományozott hidrogénatom helyébe egy fém, a a szén- és fémelemeket valamilyen formában keverő vegyületek száma, valamint a kobalthoz vagy a kobalthoz kapcsolt karbonilvegyületek Vas.

Ilyen típusú folyadékokat tartalmazó katalízisre példa a perszulfát- és jodidionok átalakulása szulfátiondá és jóddá:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + I₂

Ennek a reakciónak a kedvező energetika ellenére is nehéz lenne önmagában folytatnia, mert mindkettő a reagensek negatív töltésűek, ezért elektrosztatikus tulajdonságaik ellentétesek kémiai anyagukkal tulajdonságok. De ha a keverékhez pozitív töltést hordozó vasionokat adnak, a vas "elvonja" a negatív töltéseket, és a reakció gyorsan halad előre.

A természetben előforduló, gáznemű, homogén katalízis az oxigéngáz vagy O átalakulása₂, a légkörben ózon vagy O₃, ahol oxigéngyökök (O^-) köztitermékek. Itt a nap ultraibolya fénye az igazi katalizátor, de minden jelenlévő fizikai vegyület azonos (gáz) állapotban van.

A reakciót figyelembe vesszük heterogén módon katalizált amikor a katalizátor és a reagens (ek) különböző fázisokban vannak, a reakció a közöttük lévő határfelületen (leggyakrabban a gáz-szilárd "határ") megy végbe. A leggyakoribb heterogén katalizátorok közé tartoznak a szervetlen - vagyis nem széntartalmú - szilárd anyagok, például az elemi fémek, szulfidok és fémsók, valamint szerves anyagok, köztük hidroperoxidok és ionok cserélők.

A zeolitok a heterogén katalizátorok fontos osztálya. Ezek ismétlődő SiO egységekből álló kristályos szilárd anyagok₄. Ezen összekapcsolt molekulák közül négy egységet összekapcsolva különböző gyűrű- és ketrecszerkezeteket képeznek. Az alumínium atom jelenléte a kristályban töltési egyensúlyhiányt hoz létre, amelyet egy proton (azaz egy hidrogénion) ellensúlyoz.

Az enzimek olyan fehérjék, amelyek az élő rendszerek katalizátoraként működnek. Ezeknek az enzimeknek vannak olyan komponenseik, amelyeket úgynevezett szubsztrátkötő helyeknek vagy aktív helyeknek neveznek, ahol a katalizáció alatt részt vevő reakciókban részt vevő molekulák kapcsolódnak. Az összes fehérje alkotórészei aminosavak, és ezeknek az egyes savaknak egyenetlen töltéseloszlása ​​van az egyik végétől a másikig. Ez a tulajdonság a fő oka annak, hogy az enzimek katalitikus képességekkel rendelkeznek.

Az enzim aktív helye a szubsztrát megfelelő részével (reagenssel) illeszkedik, mint egy zárba menő kulcs. Megjegyezzük, hogy a korábban leírt katalizátorok gyakran különböző reakciók sorozatát katalizálják, és ezért nem rendelkeznek az enzimek kémiai specifitásának mértékével.

Általában, ha több szubsztrát és több enzim van jelen, a reakció gyorsabban halad. De ha egyre több szubsztrátot adunk hozzá anélkül, hogy több enzimet is adnánk, akkor az összes enzimatikus a kötőhelyek telítetté válnak, és a reakció eléri az adott enzim maximális sebességét koncentráció. Az enzim által katalizált minden reakció az enzim jelenléte miatt képződött köztitermékek formájában jeleníthető meg. Vagyis írás helyett:

S → P

termékként átalakuló szubsztrát bemutatásához ezt a következőképpen ábrázolhatja:

E + S → ES → E + P

ahol a középső kifejezés az enzim-szubsztrát (ES) komplex.

Az enzimek, bár a fent felsoroltaktól eltérõen a katalizátor kategóriájába vannak besorolva, lehetnek homogének vagy heterogének.

Az enzimek optimálisan működnek egy szűk hőmérsékleti tartományban, ennek értelme van, tekintettel arra, hogy testhőmérséklete hétköznapi körülmények között nem ingadozik néhány fokkal többet. A rendkívüli hő sok enzimet tönkretesz, és elveszíti sajátos háromdimenziós alakját, ezt a denaturálási folyamatot valamennyi fehérjére alkalmazzák.