Skirtingi katalizatorių tipai

Chemijoje a katalizatorius yra medžiaga, kuri pagreitina reakcijos greitį, pati nevartojama reakcijoje. Bet kokia reakcija, kurioje naudojamas katalizatorius, yra vadinama katalizė. Skaitydami chemijos medžiagą būkite atsargūs dėl šio skirtumo; katalizatorius (daugiskaitos „katalizatoriai“) yra fizinė medžiaga, tačiau katalizė (daugiskaitos „katalizatoriai“) yra procesas.

Kiekvienos iš katalizatorių klasių apžvalga yra naudingas atspirties taškas mokantis analitinės chemijos ir suprasti, kas vyksta molekuliniu lygiu, kai maišote medžiagas ir įvyksta reakcija. Katalizatoriai ir su jais susijusios katalizinės reakcijos yra trijų pagrindinių tipų: homogeniniai katalizatoriai, heterogeniniai katalizatoriai ir biokatalizatoriai (paprastai vadinami fermentais). Mažiau paplitę, bet vis tiek svarbūs katalizatorių veiklos tipai yra fotokatalizė, aplinkos katalizė ir žalieji kataliziniai procesai.

Dauguma kietųjų katalizatorių yra metalai (pvz., Platina ar nikelis) arba beveik metalai (pvz., Silicis, boras ir aliuminis), pritvirtinti prie tokių elementų kaip deguonis ir siera. Skysčio ar dujų fazėje esantys katalizatoriai dažniausiai susideda iš vieno elemento, nors jie gali būti derinami su tirpikliai ir kita medžiaga bei kietieji katalizatoriai gali būti paskleisti kietoje arba skystoje matricoje, vadinamoje katalizatoriaus nešikliu.

Katalizatoriai pagreitina reakcijas, sumažindami aktyvavimo energija E_a reakcijos, kuri vyktų be katalizatoriaus, bet kur kas lėčiau. Tokios reakcijos turi produktą ar produktus, kurių bendra energija yra mažesnė nei reagento ar reagentų; jei taip nebūtų, šios reakcijos neįvyktų nepridėjus išorinės energijos. Tačiau norėdami patekti iš aukštesnės energijos į žemesnės energijos būseną, produktai pirmiausia turi „pereiti per kuprą“, kuri yra „E“_a. Katalizatoriai iš esmės išlygina reakcijos ir energijos kelio nelygumus palengvindami reagentai, norėdami patekti į reakcijos energijos "nuosmukį", paprasčiausiai sumažindami reakcijos aukštį „kalno viršūnė“.

Cheminėse sistemose yra teigiamų ir neigiamų katalizatorių pavyzdžių, o pirmieji linkę pagreitinti reakcijos greitį, o neigiami - sulėtinti. Abu gali būti naudingi, atsižvelgiant į konkretų norimą rezultatą.

Katalizatoriai atlieka savo darbą laikinai surišdami ar kitaip chemiškai modifikuodami vieną iš reagentų ir keisdami jo fizikinius konformacija arba trimatė forma tokiu būdu, kad reagentą ar reagentus būtų lengviau paversti vienu iš Produktai. Įsivaizduokite, kad turite šunį, kuris susivėlė į purvą ir turi būti švarus, kol jis gali patekti į vidų. Purvas nuo šuns galų gale atsiras, bet jei galėtumėte padaryti tai, kas šunį paskatino kiemo purkštuvo kryptimi kad purvas būtų greitai nupurkštas nuo kailio, jūs būtumėte tarnavęs kaip purvino šuns ir šuns švarios reakcijos „katalizatorius“.

Dažniausiai tarpinis produktas, nerodomas jokioje įprastoje reakcijos santraukoje, susidaro iš reagento ir katalizatoriaus, ir pakeitus šį kompleksą į vieną ar kelis galutinius produktus, katalizatorius regeneruojamas taip, lyg niekam nieko visi. Kaip netrukus pamatysite, šis procesas gali vykti įvairiais būdais.

Svarstoma reakcija homogeniškai katalizuojamas kai katalizatorius ir reagentas (-ai) yra vienodos fizinės būsenos arba fazės. Dažniausiai tai atsitinka su dujinių katalizatorių-reagentų poromis. Vienarūšių katalizatorių tipai yra organinės rūgštys, kuriose paaukotą vandenilio atomą pakeičia metalas, a junginių, sumaišančių anglies ir metalo elementus tam tikra forma, ir karbonilo junginių, sujungtų su kobaltu arba geležis.

Šio tipo skysčių katalizės pavyzdys yra persulfato ir jodido jonų pavertimas sulfato jonu ir jodu:

S₂O₈^2- + 2 Aš^- → 2 SO₄^2- + Aš₂

Nepaisant palankios energetikos, šiai reakcijai būtų sunku savarankiškai vykti, nes abu reagentai yra neigiamai įkrauti, todėl jų elektrostatinės savybės prieštarauja jų cheminei medžiagai savybes. Bet jei į mišinį įpilama teigiamą krūvį turinčių geležies jonų, geležis „atitraukia“ neigiamus krūvius ir reakcija greitai juda į priekį.

Natūraliai vykstanti dujinė homogeninė katalizė yra deguonies dujų arba O konversija₂atmosferoje iki ozono arba O₃, kur deguonies radikalai (O^-) yra tarpiniai produktai. Čia saulės ultravioletinė šviesa yra tikrasis katalizatorius, tačiau visi esantys fiziniai junginiai yra vienodos (dujų) būsenos.

Svarstoma reakcija heterogeniškai katalizuojamas kai katalizatorius ir reagentas (-ai) yra skirtingose ​​fazėse, o reakcija vyksta jų sąsajoje (dažniausiai dujų ir kietųjų dalelių „riba“). Kai kurie iš labiau paplitusių heterogeninių katalizatorių yra neorganinės, ty anglies neturinčios, kietosios medžiagos, tokios kaip metalai, sulfidai ir metalinės druskos, taip pat organinių medžiagų, tarp jų hidroperoksidų ir jonų, šlakelis šilumokaičiai.

Ceolitai yra svarbi heterogeninių katalizatorių klasė. Tai yra kristalinės kietosios medžiagos, sudarytos iš pasikartojančių SiO vienetų₄. Keturių iš šių sujungtų molekulių vienetai sujungiami, kad būtų sudarytos skirtingos žiedo ir narvelio struktūros. Aliuminio atomo buvimas kristale sukuria krūvio disbalansą, kurį kompensuoja protonas (t. Y. Vandenilio jonas).

Fermentai yra baltymai, kurie veikia kaip katalizatoriai gyvose sistemose. Šie fermentai turi komponentų, vadinamų substrato rišimosi vietomis arba aktyviomis vietomis, kur katalizės reakcijoje dalyvaujančios molekulės prisijungia. Visų baltymų sudedamosios dalys yra aminorūgštys, ir kiekviena iš šių rūgščių turi nevienodą krūvio pasiskirstymą iš vieno galo į kitą. Ši savybė yra pagrindinė priežastis, dėl kurios fermentai turi katalizės galimybes.

Aktyvi fermento vieta tinka kartu su taisyklinga substrato dalimi (reagentu), kaip raktas, einantis į spyną. Atkreipkite dėmesį, kad anksčiau aprašyti katalizatoriai dažnai katalizuoja daugybę skirtingų reakcijų ir todėl neturi fermentų cheminio specifiškumo laipsnio.

Apskritai, kai yra daugiau substrato ir daugiau fermento, reakcija vyks greičiau. Bet jei dedama vis daugiau ir daugiau substrato, nepridėjus daugiau fermentų, visi fermentiniai prisijungimo vietos tampa sočios, o reakcija pasiekė maksimalų to fermento greitį susikaupimas. Kiekvieną fermento katalizuojamą reakciją galima apibūdinti kaip tarpinius produktus, susidariusius dėl fermento buvimo. Tai yra, užuot rašius:

S → P

Norėdami parodyti, kad substratas transformuojamas į produktą, galite tai pavaizduoti taip:

E + S → ES → E + P

kur vidurinis terminas yra fermento-substrato (ES) kompleksas.

Fermentai, nors ir klasifikuojami kaip katalizatorių kategorija, skiriasi nuo aukščiau išvardytų, gali būti vienalyčiai arba nevienalyti.

Fermentai optimaliai veikia siaurame temperatūros diapazone, o tai prasminga atsižvelgiant į tai, kad jūsų kūno temperatūra įprastomis sąlygomis nesvyruoja daugiau nei keliais laipsniais. Esant dideliam karščiui, sunaikinami daugybė fermentų ir jie praranda savo specifinę trimatę formą - procesas vadinamas denatūravimu, kuris taikomas visiems baltymams.