סוגים שונים של זרזים

בכימיה, א זָרָז הוא חומר שמזרז את קצב התגובה מבלי שהוא נצרך בתגובה. כל תגובה שעושה שימוש בזרז נקראת קָטָלִיזָה. היזהר מהבחנה זו בעת קריאת חומר כימי; זרז ("זרזים" ברבים) הוא חומר פיזי, אך זרז (רבים "מזרזים") הוא תהליך.

סקירה כללית על כל אחת משיעורי הזרזים היא נקודת מוצא מועילה בלימוד כימיה אנליטית ולהבין מה קורה ברמה המולקולרית כשמערבבים חומרים יחד ומתרחשת תגובה. זרזים ותגובותיהם הקטליטיות הקשורות אליהם מגיעים בשלושה סוגים עיקריים: זרזים הומוגניים, זרזים הטרוגניים וביו-זרזים (המכונים בדרך כלל אנזימים). סוגים פחות נפוצים אך עדיין חשובים של פעילויות זרז כוללים פוטו-קטליזה, זרז סביבתי ותהליכים קטליטיים ירוקים.

רוב הזרזים המוצקים הם מתכות (למשל פלטינה או ניקל) או מתכות כמעט (למשל סיליקון, בור ואלומיניום) המחוברות לאלמנטים כגון חמצן וגופרית. זרזים הנמצאים בשלב הנוזל או הגז נוטים יותר להיות מורכבים מאלמנט יחיד, אם כי ניתן לשלב אותם עם ממיסים וחומרים אחרים, וזרזים מוצקים עשויים להיות מופצים בתוך מטריצה ​​מוצקה או נוזלית המכונה תומך זרז.

זרזים מזרזים את התגובות על ידי הורדת ה-

מערכות כימיות מציגות דוגמאות לזרזים חיוביים ושליליים, כאשר הראשונים נוטים להאיץ את קצב התגובה וזרזים שליליים משמשים להאטתם. שניהם יכולים להיות יתרון, תלוי בתוצאה הספציפית הרצויה.

זרזים מבצעים את עבודתם על ידי חיבור זמני לאחד מגיביו או שינוי כימי של אחד מגיבי השינוי והשינוי הפיזי שלו קונפורמציה, או צורת תלת מימד, באופן שמקל על הפיכת המגיב או המגיבים לאחד מוצרים. דמיין שיש לך כלב שהתגלגל בבוץ וצריך להיות נקי לפני שהוא יכול להיכנס פנימה. הבוץ היה יורד מהכלב מעצמו בסופו של דבר, אבל אם היית יכול לעשות משהו שדחף את הכלב לכיוון ממטר החצר כדי שהבוץ ירוסס במהירות מפרוותו, היית משמש למעשה כ"זרז "של תגובת הכלב המלוכלך לנקי הכלב.

לרוב, מוצר ביניים שאינו מוצג בשום סיכום רגיל של התגובה נוצר ממגיב ומהזרז, וכן כאשר מתחם זה משתנה למוצר סופי אחד או יותר, הזרז מתחדש כאילו לא קרה דבר לשום דבר בו את כל. כפי שתראו בקרוב, תהליך זה יכול להתרחש במגוון דרכים.

תגובה נחשבת מזורז בצורה הומוגנית כאשר הזרז והמגיב (ים) נמצאים באותו מצב פיזי או באותה שלב. לרוב זה קורה עם זוגות זרז מגיבים גזיים. סוגי זרזים הומוגניים כוללים חומצות אורגניות שבהן אטום המימן שנתרם מוחלף במתכת, א מספר תרכובות הממזגות יסודות פחמן ומתכת בצורה כלשהי, ותרכובות קרבוניל המחוברות לקובלט או בַּרזֶל.

דוגמה לסוג זה של קטליזה הכוללת נוזלים היא המרת יונים של פרסולפט ויוד ליונים סולפטיים ויוד:

ס₂או₈^2- + 2 אני^- → 2 SO₄^2- + אני₂

לתגובה זו יהיה קשה להתקדם בכוחות עצמה למרות האנרגטיות החיוביות, משום ששניהם מגיבים טעונים שלילית ולכן התכונות האלקטרוסטטיות שלהם מנוגדות לכימיקל שלהם איכויות. אך אם מוסיפים לתערובת יוני ברזל הנושאים מטען חיובי, הברזל "מסיח את תשומת הלב" את המטענים השליליים והתגובה נעה קדימה במהירות.

קטליזה הומוגנית גזית טבעית היא המרה של גז חמצן, או O₂, באטמוספירה לאוזון, או O₃, שם רדיקלים של חמצן (O^-) הם בינוניים. כאן, אור אולטרה סגול מהשמש הוא הזרז האמיתי, אך כל תרכובת פיזית הקיימת נמצאת באותו מצב (גז).

תגובה נחשבת מזורז הטרוגנית כאשר הזרז והמגיב (ים) נמצאים בשלבים שונים, כאשר התגובה מתרחשת בממשק ביניהם (לרוב, "הגבול" המוצק בגז). חלק מהזרזים ההטרוגניים הנפוצים יותר כוללים מוצקים אנאורגניים - כלומר שאינם מכילים פחמן - כגון מתכות, סולפידים ומלחים מתכתיים, כמו גם פיזור חומרים אורגניים, ביניהם הידרופרוקסידים ויונים מחליפים.

זאוליטים הם סוג חשוב של זרזים הטרוגניים. אלה הם מוצקים גבישיים המורכבים מיחידות חוזרות של SiO₄. יחידות של ארבע ממולקולות מחוברות אלה קשורות זו לזו ליצירת מבני טבעות וכלוב שונים. נוכחותו של אטום אלומיניום בגביש יוצרת חוסר איזון מטען, שקוזז על ידי פרוטון (כלומר יון מימן).

אנזימים הם חלבונים המתפקדים כזרזים במערכות חיים. לאנזימים אלה יש רכיבים הנקראים אתרי קשירת מצע, או אתרים פעילים, שבהם המולקולות המעורבות בתגובה תחת זרז נקשרות. החלקים המרכיבים של כל החלבונים הם חומצות אמינו, ולכל אחת מהחומצות הבודדות הללו התפלגות מטען לא אחידה מקצה לקצה. מאפיין זה הוא הסיבה העיקרית לכך שאנזימים מחזיקים ביכולות קטליטיות.

האתר הפעיל באנזים משתלב יחד עם החלק הנכון של המצע (מגיב), כמו מפתח שנכנס למנעול. שים לב כי הזרזים שתוארו קודם לכן מזרזים מערך של תגובות שונות ולכן אינם בעלי מידת הספציפיות הכימית שיש לאנזימים.

באופן כללי, כאשר קיימים יותר מצע ועוד אנזים, התגובה תמשיך מהר יותר. אבל אם מוסיפים עוד ועוד מצע מבלי להוסיף גם אנזים נוסף, כל האנזימטיים אתרי הקישור רוויים, והתגובה הגיעה לשיעור המרבי של אנזים זה ריכוז. ניתן לייצג כל תגובה מזרזת אנזים במונחי תוצרי הביניים הנוצרים בשל נוכחות האנזים. כלומר במקום לכתוב:

S → P

כדי להציג מצע שהופך למוצר, אתה יכול לתאר זאת כ:

E + S → ES → E + P

כאשר המונח האמצעי הוא קומפלקס האנזים-מצע (ES).

אנזימים, למרות שהם מסווגים כקטגוריה של זרז הנבדלים מאלו המפורטים לעיל, יכולים להיות הומוגניים או הטרוגניים.

אנזימים מתפקדים בצורה אופטימלית בטווח טמפרטורות צר, הגיוני בהתחשב בכך שטמפרטורת גופך אינה משתנה ביותר מכמה מעלות בתנאים רגילים. חום קיצוני הורס אנזימים רבים וגורם להם לאבד את צורתם התלת-ממדית הספציפית, תהליך הנקרא דנטורציה המתייחס לכל החלבונים.