Verschillende soorten katalysatoren

In de chemie, een katalysator is een stof die de snelheid van een reactie versnelt zonder zelf in de reactie te worden verbruikt. Elke reactie die gebruik maakt van een katalysator wordt genoemd katalyse. Wees voorzichtig met dit onderscheid bij het lezen van chemiemateriaal; een katalysator (meervoud "katalysatoren") is een fysieke substantie, maar katalyse (meervoud "katalysatoren") is een proces.

Een overzicht van elk van de klassen van katalysatoren is een handig startpunt bij het leren van analytische chemie en begrijpen wat er op moleculair niveau gebeurt als je stoffen met elkaar mengt en er een reactie optreedt. Katalysatoren en de bijbehorende katalytische reacties zijn er in drie hoofdtypen: homogene katalysatoren, heterogene katalysatoren en biokatalysatoren (meestal enzymen genoemd). Minder vaak voorkomende maar nog steeds belangrijke soorten katalysatoractiviteiten zijn fotokatalyse, milieukatalyse en groene katalytische processen.

De meeste vaste katalysatoren zijn metalen (bijv. platina of nikkel) of bijna-metalen (bijv. silicium, boor en aluminium) gehecht aan elementen zoals zuurstof en zwavel. Katalysatoren die zich in de vloeibare of gasfase bevinden, bestaan ​​eerder uit een enkel element, hoewel ze kunnen worden gecombineerd met oplosmiddelen en ander materiaal, en vaste katalysatoren kunnen worden verspreid in een vaste of vloeibare matrix die bekend staat als een katalysatordrager.

Katalysatoren versnellen reacties door de activeringsenergie E_een van een reactie die zou verlopen zonder de katalysator, maar veel langzamer. Dergelijke reacties hebben een product of producten met een lagere totale energie dan die van de reactant of reactanten; als dit niet het geval was, zouden deze reacties niet plaatsvinden zonder de toevoeging van externe energie. Maar om van de hogere energietoestand naar de lagere energietoestand te komen, moeten de producten eerst "over de bult" komen, die "bult" is de E_een. Katalysatoren strijken in wezen de hobbels langs de weg van de reactie-energie glad door het gemakkelijker te maken voor de reactanten om de energie "downslope" van de reactie te bereiken door simpelweg de hoogte van de. te verlagen "heuveltop."

Chemische systemen bevatten voorbeelden van positieve en negatieve katalysatoren, waarbij de eerste de neiging heeft de reactiesnelheid te versnellen en negatieve katalysatoren dienen om ze te vertragen. Beide kunnen voordelig zijn, afhankelijk van het gewenste specifieke resultaat.

Katalysatoren voeren hun werk uit door een van de reactanten tijdelijk te binden of anderszins chemisch te modificeren en de fysieke conformatie, of driedimensionale vorm, op een manier die het gemakkelijker maakt voor de reactant of reactanten om te worden omgezet in een van de producten. Stel je voor dat je een hond hebt die in de modder heeft gerold en schoon moet zijn voordat hij naar binnen kan. De modder zou uiteindelijk vanzelf van de hond afkomen, maar als je iets kon doen dat de hond in de richting van de tuinsproeier duwde zodat de modder snel van zijn vacht zou worden gesproeid, zou je in feite hebben gediend als een "katalysator" van de "vuile hond" tot "de reactie van de schone hond".

Meestal wordt een tussenproduct dat niet in een gewone samenvatting van de reactie wordt weergegeven, gevormd uit een reactant en de katalysator, en wanneer dit complex wordt omgezet in een of meer eindproducten, wordt de katalysator geregenereerd alsof er nooit iets mee is gebeurd alle. Zoals je straks zult zien, kan dit proces op verschillende manieren plaatsvinden.

Een reactie wordt overwogen homogeen gekatalyseerd wanneer de katalysator en de reactant(en) zich in dezelfde fysieke toestand of fase bevinden. Dit gebeurt meestal met gasvormige katalysator-reactantparen. Soorten homogene katalysatoren omvatten organische zuren waarin het gedoneerde waterstofatoom wordt vervangen door een metaal, a aantal verbindingen die koolstof- en metaalelementen in een of andere vorm vermengen, en carbonylverbindingen verbonden met kobalt of ijzer.

Een voorbeeld van dit type katalyse waarbij vloeistoffen betrokken zijn, is de omzetting van persulfaat- en jodide-ionen in sulfaationen en jodium:

zo₂O₈^2- + 2 ik^- → 2 SO₄^2- + ik₂

Deze reactie zou ondanks de gunstige energetische eigenschappen moeilijk zelfstandig kunnen verlopen, omdat beide reactanten zijn negatief geladen en daarom zijn hun elektrostatische eigenschappen in tegenstelling tot hun chemische kwaliteiten. Maar als ijzerionen, die een positieve lading dragen, aan het mengsel worden toegevoegd, "leidt" het ijzer de negatieve ladingen af ​​en gaat de reactie snel vooruit.

Een natuurlijk voorkomende gasvormige homogene katalyse is de omzetting van zuurstofgas, of O₂, in de atmosfeer tot ozon, of O₃, waar zuurstofradicalen (O^-) zijn tussenproducten. Hier is ultraviolet licht van de zon de echte katalysator, maar elke aanwezige fysieke verbinding bevindt zich in dezelfde (gas)staat.

Een reactie wordt overwogen heterogeen gekatalyseerd wanneer de katalysator en de reactant(en) zich in verschillende fasen bevinden, waarbij de reactie plaatsvindt op het grensvlak daartussen (meestal de gas-vaste "grens"). Enkele van de meest voorkomende heterogene katalysatoren zijn anorganische - dat wil zeggen niet-koolstofhoudende - vaste stoffen zoals elementaire metalen, sulfiden en metaalzouten, evenals een paar organische stoffen, waaronder hydroperoxiden en ionen uitwisselaars.

Zeolieten zijn een belangrijke klasse van heterogene katalysatoren. Dit zijn kristallijne vaste stoffen bestaande uit herhalende eenheden van SiO₄. Eenheden van vier van deze samengevoegde moleculen zijn aan elkaar gekoppeld om verschillende ring- en kooistructuren te vormen. De aanwezigheid van een aluminiumatoom in het kristal zorgt voor een onbalans in de lading, die wordt gecompenseerd door een proton (d.w.z. een waterstofion).

Enzymen zijn eiwitten die functioneren als katalysatoren in levende systemen. Deze enzymen hebben componenten die substraatbindingsplaatsen of actieve plaatsen worden genoemd, waar de moleculen die betrokken zijn bij de reactie onder katalyse gehecht raken. De samenstellende delen van alle eiwitten zijn aminozuren en elk van deze individuele zuren heeft een ongelijke ladingsverdeling van het ene uiteinde naar het andere. Deze eigenschap is de belangrijkste reden waarom enzymen katalytische eigenschappen bezitten.

De actieve plaats op het enzym past samen met het juiste deel van het substraat (reactant) als een sleutel die in een slot gaat. Merk op dat de eerder beschreven katalysatoren vaak een reeks ongelijke reacties katalyseren en daarom niet de mate van chemische specificiteit bezitten die enzymen hebben.

In het algemeen zal de reactie sneller verlopen wanneer er meer substraat en meer van een enzym aanwezig zijn. Maar als er steeds meer substraat wordt toegevoegd zonder ook nog meer enzym toe te voegen, worden alle enzymatische bindingsplaatsen raken verzadigd en de reactie heeft zijn maximale snelheid voor dat enzym bereikt concentratie. Elke door een enzym gekatalyseerde reactie kan worden weergegeven in termen van de tussenproducten die worden gevormd door de aanwezigheid van het enzym. Dat wil zeggen, in plaats van te schrijven:

S → P

om te laten zien dat een substraat wordt omgezet in een product, kunt u dit weergeven als:

E + S → ES → E + P

waarbij de middelste term het enzym-substraat (ES)-complex is.

Enzymen, hoewel geclassificeerd als een categorie van katalysatoren die verschilt van die welke hierboven zijn opgesomd, kunnen homogeen of heterogeen zijn.

Enzymen functioneren optimaal binnen een smal temperatuurbereik, wat logisch is aangezien je lichaamstemperatuur onder normale omstandigheden niet meer dan een paar graden schommelt. Extreme hitte vernietigt veel enzymen en zorgt ervoor dat ze hun specifieke driedimensionale vorm verliezen, een proces dat denaturering wordt genoemd en dat van toepassing is op alle eiwitten.