Dažādi katalizatoru veidi

Ķīmijā a katalizators ir viela, kas paātrina reakcijas ātrumu, pati to neizmantojot reakcijā. Jebkura reakcija, kurā tiek izmantots katalizators, tiek saukta katalīze. Esiet piesardzīgs attiecībā uz šo atšķirību, lasot ķīmijas materiālus; katalizators (daudzskaitļa "katalizatori") ir fiziska viela, bet katalīze (daudzskaitļa "katalizatori") ir process.

Katras katalizatoru klases pārskats ir noderīgs sākumpunkts analītiskās ķīmijas apguvē un izpratne par to, kas notiek molekulārā līmenī, ja sajaucat vielas kopā un rodas reakcija. Katalizatoriem un ar tiem saistītajām katalītiskajām reakcijām ir trīs galvenie veidi: viendabīgi katalizatori, neviendabīgi katalizatori un biokatalizatori (parasti saukti par fermentiem). Retāk sastopami, bet joprojām nozīmīgi katalizatora darbību veidi ir fotokatalīze, vides katalīze un zaļie katalītiskie procesi.

Lielākā daļa cieto katalizatoru ir metāli (piemēram, platīns vai niķelis) vai gandrīz metāli (piemēram, silīcijs, bors un alumīnijs), kas piestiprināti pie tādiem elementiem kā skābeklis un sērs. Šķidruma vai gāzes fāzē esošie katalizatori, visticamāk, sastāv no viena elementa, lai gan tos var kombinēt šķīdinātājus un citus materiālus, un cietos katalizatorus var izplatīt cietā vai šķidrā matricā, kas pazīstama kā katalizatora nesējs.

Katalizatori paātrina reakcijas, pazeminot aktivācijas enerģija E_a reakcijas, kas noritētu bez katalizatora, bet daudz lēnāk. Šādām reakcijām ir produkts vai produkti ar zemāku kopējo enerģiju nekā reaģenta vai reaģentu enerģija; ja tas tā nebūtu, šīs reakcijas nenotiktu bez ārējas enerģijas pievienošanas. Bet, lai nokļūtu no augstākas enerģijas stāvokļa uz zemākas enerģijas stāvokli, produktiem vispirms ir "jāpārvar kupris", kuram "kupris" ir E_a. Katalizatori būtībā izlīdzina izciļņus gar reakcijas enerģijas ceļu, padarot to vieglāku reaktanti, lai nokļūtu reakcijas enerģijas "lejup", vienkārši pazeminot reakcijas augstumu "kalna galā".

Ķīmiskajās sistēmās ir pozitīvu un negatīvu katalizatoru piemēri, kur pirmajiem ir tendence paātrināt reakcijas ātrumu, un negatīvajiem katalizatoriem tie palēninās. Abi var būt izdevīgi, atkarībā no konkrētā vēlamā rezultāta.

Katalizatori veic savu darbu, īslaicīgi piesaistoties vai kā citādi ķīmiski modificējot vienu no reaģentiem un mainot tā fizikālo konformācija vai trīsdimensiju forma tādā veidā, kas atvieglo reaģenta vai reaģentu pārveidošanu vienā no produktiem. Iedomājieties, ka jums ir suns, kurš ir ripojis dubļos un kam jābūt tīram, pirms tas var ienākt iekšā. Dūņas galu galā atdalīsies no suņa, bet, ja jūs varētu kaut ko darīt, kas suni pamudināja pagalma sprinklera virzienā lai dubļi ātri tiktu izsmidzināti no kažokādas, jūs faktiski būtu kalpojis kā netīrā suņa un reakcijas pret suni tīrīšanas "katalizators".

Visbiežāk starpproduktu, kas nav parādīts nevienā parastajā reakcijas kopsavilkumā, veido no reaģenta un katalizatora, un kad šis komplekss tiek pārveidots par vienu vai vairākiem galaproduktiem, katalizators tiek reģenerēts tā, it kā nekas no tā nekad nebūtu noticis visi. Kā jūs drīz redzēsit, šis process var notikt dažādos veidos.

Tiek apsvērta reakcija viendabīgi katalizēts kad katalizators un reaģents (-i) ir vienā fiziskā stāvoklī vai fāzē. Visbiežāk tas notiek ar gāzveida katalizatora-reaģenta pāriem. Homogēnu katalizatoru veidi ietver organiskās skābes, kurās ziedoto ūdeņraža atomu aizstāj ar metālu, a savienojumu skaits, kas kaut kādā veidā sajauc oglekļa un metāla elementus, un karbonil savienojumi, kas savienoti ar kobaltu vai dzelzs.

Šāda veida šķidrumu katalīzes veids ir persulfāta un jodīda jonu pārveidošana sulfāta jonā un jodā:

S₂O₈^2- + 2 es^- → 2 SO₄^2- + Es₂

Neraugoties uz labvēlīgo enerģētiku, šai reakcijai pašai iet grūti, jo abi reaģenti ir negatīvi lādēti, un tāpēc to elektrostatiskās īpašības ir pretrunā ar to ķīmisko sastāvu īpašības. Bet, ja maisījumam pievieno dzelzs jonus, kuriem ir pozitīvs lādiņš, dzelzs "novērš" negatīvo lādiņu un reakcija ātri virzās uz priekšu.

Dabiski gāzveida viendabīga katalīze ir skābekļa gāzes jeb O konversija₂, atmosfērā līdz ozonam vai O₃kur skābekļa radikāļi (O^-) ir starpprodukti. Šeit saules ultravioletā gaisma ir patiess katalizators, bet visi fizikālie savienojumi atrodas vienā (gāzes) stāvoklī.

Tiek apsvērta reakcija neviendabīgi katalizēts kad katalizators un reaģents (-i) atrodas dažādās fāzēs, reakcijai notiekot saskarnē starp tām (visbiežāk gāzes-cietās "robežas"). Daži no biežāk sastopamajiem neviendabīgajiem katalizatoriem ietver neorganiskas, tas ir, oglekli nesaturošas, cietas vielas, piemēram, metāli, sulfīdi un metālu sāļi, kā arī organisko vielu, tostarp hidroperoksīdu un jonu, izsmidzināšana siltummaiņi.

Ceolīti ir nozīmīga neviendabīgu katalizatoru klase. Tās ir kristāliskas cietas vielas, kas sastāv no atkārtotām SiO vienībām₄. Četru no šīm savienotajām molekulām vienības ir savienotas kopā, veidojot dažādas gredzena un būra struktūras. Alumīnija atoma klātbūtne kristālā rada lādiņa nelīdzsvarotību, kuru kompensē protons (t.i., ūdeņraža jons).

Fermenti ir olbaltumvielas, kas dzīvo sistēmās darbojas kā katalizatori. Šiem enzīmiem ir sastāvdaļas, ko sauc par substrāta saistīšanās vietām vai aktīvajām vietām, kur molekulas, kas iesaistītas reakcijā katalīzes ceļā, pievienojas. Visu olbaltumvielu sastāvdaļas ir aminoskābes, un katrai no šīm skābēm ir nevienmērīgs lādiņu sadalījums no viena gala līdz otram. Šis īpašums ir galvenais iemesls, kāpēc fermentiem piemīt katalītiskās spējas.

Fermenta aktīvā vieta iekļaujas kopā ar pareizo substrāta daļu (reaģentu) kā atslēga, kas nonāk slēdzenē. Ņemiet vērā, ka iepriekš aprakstītie katalizatori bieži katalizē virkni atšķirīgu reakciju, un tāpēc tiem nav tādas ķīmiskās specifikas pakāpes kā fermentiem.

Parasti, ja ir vairāk substrāta un vairāk fermenta, reakcija norisināsies ātrāk. Bet, ja tiek pievienots arvien vairāk substrāta, nepievienojot arī vairāk fermentu, visu fermentatīvo saistīšanās vietas kļūst piesātinātas, un reakcija ir sasniegusi maksimālo ātrumu šim fermentam koncentrēšanās. Katru fermenta katalizēto reakciju var attēlot kā starpproduktus, kas veidojas fermenta klātbūtnes dēļ. Tas ir, tā vietā, lai rakstītu:

S → P

lai parādītu, ka substrāts tiek pārveidots par produktu, varat to attēlot šādi:

E + S → ES → E + P

kur vidējais termiņš ir enzīmu-substrātu (ES) komplekss.

Lai arī fermenti tiek klasificēti kā katalizatora kategorijas, kas atšķiras no iepriekš uzskaitītajām, tie var būt vai nu viendabīgi, vai neviendabīgi.

Fermenti optimāli darbojas šaurā temperatūras diapazonā, kas ir jēga, ņemot vērā, ka jūsu ķermeņa temperatūra parastos apstākļos nemainās vairāk par dažiem grādiem. Liels karstums iznīcina daudzus enzīmus un liek tiem zaudēt savu specifisko trīsdimensiju formu - procesu, ko sauc par denaturēšanu, kas attiecas uz visām olbaltumvielām.