Berbagai Jenis Katalis

Dalam kimia, a katalisator adalah zat yang mempercepat laju reaksi tanpa dirinya sendiri dikonsumsi dalam reaksi. Setiap reaksi yang menggunakan katalis disebut katalisis. Berhati-hatilah dengan perbedaan ini saat membaca materi kimia; katalis (jamak "katalis") adalah zat fisik, tetapi katalisis (jamak "katalis") adalah sebuah proses.

Gambaran umum dari masing-masing kelas katalis adalah titik awal yang membantu dalam mempelajari kimia analitik dan memahami apa yang terjadi pada tingkat molekuler ketika Anda mencampurkan zat dan reaksi terjadi. Katalis dan reaksi katalitik terkait datang dalam tiga jenis utama: katalis homogen, katalis heterogen dan biokatalis (biasanya disebut enzim). Jenis kegiatan katalis yang kurang umum tetapi masih penting termasuk fotokatalisis, katalisis lingkungan dan proses katalitik hijau.

Mayoritas katalis padat adalah logam (misalnya, platinum atau nikel) atau logam dekat (misalnya, silikon, boron dan aluminium) yang melekat pada unsur-unsur seperti oksigen dan belerang. Katalis yang berada dalam fase cair atau gas lebih cenderung terdiri dari satu elemen, meskipun mereka dapat dikombinasikan dengan pelarut dan bahan lainnya, dan katalis padat dapat disebarluaskan dalam matriks padat atau cair yang dikenal sebagai pendukung katalis.

Katalis mempercepat reaksi dengan menurunkan energi aktivasi E_Sebuah reaksi yang akan berlangsung tanpa katalis, tetapi jauh lebih lambat. Reaksi tersebut memiliki produk atau produk dengan energi total yang lebih rendah daripada reaktan atau reaktan; jika ini tidak terjadi, reaksi ini tidak akan terjadi tanpa penambahan energi eksternal. Tetapi untuk berpindah dari keadaan energi yang lebih tinggi ke keadaan energi yang lebih rendah, produk harus "melewati punuk" terlebih dahulu, "punuk" itu adalah E_Sebuah. Katalis pada dasarnya menghaluskan gundukan di sepanjang jalan energi reaksi dengan membuatnya lebih mudah untuk reaktan untuk mencapai energi "kemiringan" reaksi hanya dengan menurunkan ketinggian "puncak bukit."

Sistem kimia menampilkan contoh katalis positif dan negatif, dengan yang pertama cenderung mempercepat laju reaksi dan katalis negatif berfungsi untuk memperlambatnya. Keduanya bisa menguntungkan, tergantung pada hasil spesifik yang diinginkan.

Katalis melakukan pekerjaannya dengan mengikat sementara atau secara kimia memodifikasi salah satu reaktan dan mengubah fisiknya. konformasi, atau bentuk tiga dimensi, dengan cara yang memudahkan reaktan atau reaktan untuk diubah menjadi salah satu produk. Bayangkan memiliki seekor anjing yang berguling-guling di lumpur dan perlu dibersihkan sebelum bisa masuk ke dalam. Lumpur akan keluar dari anjing dengan sendirinya pada akhirnya, tetapi jika Anda bisa melakukan sesuatu yang mendorong anjing ke arah alat penyiram halaman sehingga lumpur akan disemprotkan dari bulunya dengan cepat, Anda akan bertindak sebagai "katalis" dari "reaksi" anjing-kotor ke anjing-bersih.

Paling sering, produk antara yang tidak ditunjukkan dalam ringkasan reaksi biasa terbentuk dari reaktan dan katalis, dan ketika kompleks ini diubah menjadi satu atau lebih produk akhir, katalis diregenerasi seolah-olah tidak ada yang pernah terjadi padanya pada saat itu. semua. Seperti yang akan Anda lihat sebentar lagi, proses ini dapat berlangsung dalam berbagai cara.

Suatu reaksi dianggap dikatalis homogen ketika katalis dan reaktan berada dalam keadaan fisik atau fase yang sama. Ini paling sering terjadi dengan pasangan katalis-reaktan gas. Jenis katalis homogen termasuk asam organik di mana atom hidrogen yang disumbangkan digantikan oleh logam, a jumlah senyawa yang memadukan unsur karbon dan logam dalam beberapa bentuk, dan senyawa karbonil yang bergabung dengan kobalt atau besi.

Contoh dari jenis katalisis yang melibatkan cairan ini adalah konversi ion persulfat dan iodida menjadi ion sulfat dan yodium:

S₂HAI₈^2- + 2 aku^- → 2 SO₄^2- + aku₂

Reaksi ini akan mengalami kesulitan untuk berjalan dengan sendirinya meskipun energinya menguntungkan, karena keduanya— reaktan bermuatan negatif dan oleh karena itu kualitas elektrostatiknya berlawanan dengan sifat kimianya kualitas. Tetapi jika ion besi, yang membawa muatan positif, ditambahkan ke dalam campuran, besi "mengalihkan" muatan negatif dan reaksi bergerak maju dengan cepat.

Katalisis homogen gas yang terjadi secara alami adalah konversi gas oksigen, atau O₂, di atmosfer menjadi ozon, atau O₃, di mana radikal oksigen (O^-) adalah perantara. Di sini, sinar ultraviolet dari matahari adalah katalis yang sebenarnya, tetapi setiap senyawa fisik yang ada berada dalam keadaan (gas) yang sama.

Suatu reaksi dianggap dikatalis secara heterogen ketika katalis dan reaktan berada dalam fase yang berbeda, dengan reaksi yang terjadi pada antarmuka antara keduanya (paling umum, "batas" gas-padat). Beberapa katalis heterogen yang lebih umum termasuk anorganik - yaitu, non-karbon yang mengandung - padatan seperti unsur logam, sulfida dan garam logam, serta segelintir zat organik, di antaranya hidroperoksida dan ion penukar.

Zeolit ​​​​adalah kelas penting dari katalis heterogen. Ini adalah padatan kristal yang terdiri dari unit berulang SiO₄. Unit dari empat molekul yang bergabung ini dihubungkan bersama untuk membentuk struktur cincin dan sangkar yang berbeda. Kehadiran atom aluminium dalam kristal menciptakan ketidakseimbangan muatan, yang diimbangi oleh proton (yaitu, ion hidrogen).

Enzim adalah protein yang berfungsi sebagai katalis dalam sistem kehidupan. Enzim ini memiliki komponen yang disebut situs pengikatan substrat, atau situs aktif, di mana molekul yang terlibat dalam reaksi di bawah katalisis menjadi melekat. Bagian komponen dari semua protein adalah asam amino, dan masing-masing asam individu ini memiliki distribusi muatan yang tidak merata dari satu ujung ke ujung lainnya. Properti ini adalah alasan utama enzim memiliki kemampuan katalitik.

Situs aktif pada enzim cocok bersama-sama dengan bagian yang benar dari substrat (reaktan) agak seperti kunci masuk ke gembok. Perhatikan bahwa katalis yang dijelaskan sebelumnya sering mengkatalisis serangkaian reaksi yang berbeda dan oleh karena itu tidak memiliki tingkat spesifisitas kimia yang dimiliki enzim.

Secara umum, ketika lebih banyak substrat dan lebih banyak enzim hadir, reaksi akan berlangsung lebih cepat. Tetapi jika semakin banyak substrat ditambahkan tanpa menambahkan lebih banyak enzim juga, semua enzim akan situs pengikatan menjadi jenuh, dan reaksi telah mencapai tingkat maksimum untuk enzim itu konsentrasi. Setiap reaksi yang dikatalisis oleh enzim dapat direpresentasikan dalam bentuk produk antara yang terbentuk karena adanya enzim. Artinya, alih-alih menulis:

S → P

untuk menunjukkan substrat yang diubah menjadi produk, Anda dapat menggambarkan ini sebagai:

E + S → ES → E + P

dimana suku tengahnya adalah kompleks enzim-substrat (ES).

Enzim, meskipun diklasifikasikan sebagai kategori katalis yang berbeda dari yang tercantum di atas, dapat berupa homogen atau heterogen.

Enzim berfungsi secara optimal dalam kisaran suhu yang sempit, yang masuk akal mengingat suhu tubuh Anda tidak berfluktuasi lebih dari beberapa derajat dalam kondisi biasa. Panas yang ekstrem menghancurkan banyak enzim dan menyebabkan mereka kehilangan bentuk tiga dimensi spesifiknya, sebuah proses yang disebut denaturasi yang berlaku untuk semua protein.