Diversi tipi di catalizzatori

In chimica, a catalizzatore è una sostanza che accelera la velocità di una reazione senza essere essa stessa consumata nella reazione. Qualsiasi reazione che fa uso di un catalizzatore è definita catalisi. Fai attenzione a questa distinzione quando leggi materiale di chimica; un catalizzatore (plurale "catalizzatori") è una sostanza fisica, ma la catalisi (plurale "catalisi") è un processo.

Una panoramica di ciascuna delle classi di catalizzatori è un utile punto di partenza per l'apprendimento della chimica analitica e capire cosa succede a livello molecolare quando si mescolano le sostanze e si verifica una reazione. I catalizzatori e le loro reazioni catalitiche associate sono di tre tipi principali: catalizzatori omogenei, catalizzatori eterogenei e biocatalizzatori (solitamente chiamati enzimi). Tipi meno comuni ma comunque importanti di attività catalitiche includono la fotocatalisi, la catalisi ambientale e i processi catalitici verdi.

La maggior parte dei catalizzatori solidi sono metalli (ad esempio platino o nichel) o metalli simili (ad esempio silicio, boro e alluminio) attaccati a elementi come ossigeno e zolfo. È più probabile che i catalizzatori che si trovano in fase liquida o gassosa siano costituiti da un singolo elemento, sebbene possano essere combinati con solventi e altro materiale e catalizzatori solidi possono essere disseminati all'interno di una matrice solida o liquida nota come supporto di catalizzatore.

I catalizzatori accelerano le reazioni abbassando il energia di attivazione E_un di una reazione che procederebbe senza il catalizzatore, ma molto più lentamente. Tali reazioni hanno un prodotto o prodotti con un'energia totale inferiore a quella del reagente o dei reagenti; se così non fosse, queste reazioni non si verificherebbero senza l'aggiunta di energia esterna. Ma per passare dallo stato di energia più alta allo stato di energia più bassa, i prodotti devono prima "superare la gobba", quella "gobba" è la E_un. I catalizzatori in sostanza appianano i dossi lungo la strada dell'energia di reazione rendendo più facile per il reagenti per arrivare alla "discesa" energetica della reazione semplicemente abbassando l'elevazione del "in cima alla collina".

I sistemi chimici presentano esempi di catalizzatori positivi e negativi, con i primi che tendono ad accelerare la velocità della reazione e i catalizzatori negativi che servono a rallentarli. Entrambi possono essere vantaggiosi, a seconda del risultato specifico desiderato.

I catalizzatori svolgono il loro lavoro legandosi temporaneamente o modificando in altro modo chimicamente uno dei reagenti e modificandone la fisica conformazione, o forma tridimensionale, in modo tale da rendere più facile la trasformazione del reagente o dei reagenti in uno dei prodotti. Immagina di avere un cane che si è rotolato nel fango e ha bisogno di essere pulito prima di poter entrare. Alla fine il fango sarebbe uscito dal cane da solo, ma se potessi fare qualcosa che spingesse il cane in direzione dell'irrigatore del cortile in modo che il fango sarebbe stato spruzzato via rapidamente dalla sua pelliccia, avresti servito in effetti come un "catalizzatore" della "reazione" del cane sporco contro il cane pulito.

Molto spesso, un prodotto intermedio non mostrato in nessun riassunto ordinario della reazione è formato da un reagente e dal catalizzatore, e quando questo complesso si trasforma in uno o più prodotti finali, il catalizzatore viene rigenerato come se nulla fosse mai accaduto a nessuno di essi tutti. Come vedrai a breve, questo processo può avvenire in vari modi.

Si considera una reazione catalizzato in modo omogeneo quando il catalizzatore e il/i reagente/i si trovano nello stesso stato o fase fisica. Questo accade più spesso con coppie gassose catalizzatore-reagente. I tipi di catalizzatori omogenei includono acidi organici in cui l'atomo di idrogeno donato viene sostituito da un metallo, a numero di composti che mescolano in qualche forma elementi di carbonio e metallici e composti carbonilici uniti a cobalto o ferro.

Un esempio di questo tipo di catalisi che coinvolge liquidi è la conversione di ioni persolfato e ioduro in ione solfato e iodio:

S₂oh₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + io₂

Questa reazione avrebbe difficoltà a procedere da sola nonostante l'energia favorevole, perché entrambi i reagenti sono carichi negativamente e quindi le loro qualità elettrostatiche sono in opposizione alla loro chimica qualità. Ma se alla miscela vengono aggiunti ioni di ferro, che portano una carica positiva, il ferro "distrae" le cariche negative e la reazione avanza rapidamente.

Una catalisi omogenea gassosa naturale è la conversione del gas ossigeno, o O₂, nell'atmosfera all'ozono, o O₃, dove i radicali dell'ossigeno (O^-) sono intermedi. Qui, la luce ultravioletta del sole è il vero catalizzatore, ma ogni composto fisico presente è nello stesso stato (gas).

Si considera una reazione catalizzata in modo eterogeneo quando il catalizzatore e il/i reagente/i si trovano in fasi diverse, con la reazione che avviene all'interfaccia tra loro (più comunemente, il "bordo" gas-solido). Alcuni dei catalizzatori eterogenei più comuni includono solidi inorganici, cioè non contenenti carbonio, come metalli, solfuri e sali metallici, nonché un'infarinatura di sostanze organiche, tra cui idroperossidi e ioni scambiatori.

Le zeoliti sono un'importante classe di catalizzatori eterogenei. Sono solidi cristallini costituiti da unità ripetitive di SiO₄. Le unità di quattro di queste molecole unite sono collegate tra loro per formare diverse strutture ad anello ea gabbia. La presenza di un atomo di alluminio nel cristallo crea uno squilibrio di carica, che è compensato da un protone (cioè uno ione idrogeno).

Gli enzimi sono proteine ​​che funzionano come catalizzatori nei sistemi viventi. Questi enzimi hanno componenti chiamati siti di legame del substrato, o siti attivi, dove si attaccano le molecole coinvolte nella reazione sotto catalisi. Le parti componenti di tutte le proteine ​​sono amminoacidi e ciascuno di questi singoli acidi ha una distribuzione di carica non uniforme da un'estremità all'altra. Questa proprietà è la ragione principale per cui gli enzimi possiedono capacità catalitiche.

Il sito attivo sull'enzima si incastra con la parte corretta del substrato (reagente) un po' come una chiave che entra in una serratura. Si noti che i catalizzatori descritti in precedenza spesso catalizzano una serie di reazioni dissimili e quindi non possiedono il grado di specificità chimica degli enzimi.

In generale, quando sono presenti più substrato e più enzima, la reazione procederà più rapidamente. Ma se si aggiunge sempre più substrato senza aggiungere anche più enzima, tutto l'enzima i siti di legame si saturano e la reazione ha raggiunto la velocità massima per quell'enzima concentrazione. Ciascuna reazione catalizzata da un enzima può essere rappresentata in termini di prodotti intermedi formati per la presenza dell'enzima. Cioè, invece di scrivere:

S → P

per mostrare un substrato che viene trasformato in un prodotto, puoi raffigurarlo come:

E + S → ES → E + P

dove il termine medio è il complesso enzima-substrato (ES).

Gli enzimi, sebbene classificati come categorie di catalizzatori distinte da quelle sopra elencate, possono essere sia omogenei che eterogenei.

Gli enzimi funzionano in modo ottimale all'interno di un intervallo di temperatura ristretto, il che ha senso dato che la temperatura corporea non oscilla di più di pochi gradi in condizioni normali. Il calore estremo distrugge molti enzimi e fa perdere loro la loro specifica forma tridimensionale, un processo chiamato denaturazione che si applica a tutte le proteine.