Różne rodzaje katalizatorów

W chemii, a katalizator jest substancją, która przyspiesza tempo reakcji bez zużywania się w reakcji. Każda reakcja, w której wykorzystuje się katalizator, nazywa się kataliza. Uważaj na to rozróżnienie podczas czytania materiałów chemicznych; katalizator (liczba mnoga „katalizatory”) jest substancją fizyczną, ale kataliza (liczba mnoga „katalizatory”) jest procesem.

Przegląd każdej z klas katalizatorów jest pomocnym punktem wyjścia w nauce chemii analitycznej i zrozumienie, co dzieje się na poziomie molekularnym, gdy mieszasz ze sobą substancje i zachodzi reakcja. Katalizatory i związane z nimi reakcje katalityczne dzielą się na trzy główne typy: katalizatory homogeniczne, katalizatory heterogeniczne i biokatalizatory (zwykle nazywane enzymami). Mniej powszechne, ale nadal ważne rodzaje działań katalizatora obejmują fotokatalizę, katalizę środowiskową i procesy katalityczne ekologiczne.

Większość katalizatorów stałych to metale (np. platyna lub nikiel) lub zbliżone do metali (np. krzem, bor i aluminium) przyłączone do pierwiastków takich jak tlen i siarka. Katalizatory znajdujące się w fazie ciekłej lub gazowej częściej składają się z jednego pierwiastka, chociaż można je łączyć z rozpuszczalniki i inne materiały oraz katalizatory stałe mogą być rozprowadzane w stałej lub ciekłej matrycy znanej jako nośnik katalizatora.

Katalizatory przyspieszają reakcje, obniżając energia aktywacji mi_za reakcji, która przebiegałaby bez katalizatora, ale znacznie wolniej. Takie reakcje mają produkt lub produkty o niższej całkowitej energii niż reagent lub reagenty; gdyby tak nie było, reakcje te nie zachodziłyby bez dodania energii zewnętrznej. Ale aby przejść ze stanu o wyższej energii do stanu o niższej energii, produkty muszą najpierw „przejść przez garb”, tym „garbem” jest E_za. Katalizatory zasadniczo wygładzają nierówności na drodze energii reakcji, ułatwiając for reagentów, aby uzyskać „spadek” energii reakcji, po prostu obniżając podniesienie „szczyt”.

W układach chemicznych występują przykłady katalizatorów dodatnich i ujemnych, przy czym te pierwsze mają tendencję do przyspieszania tempa reakcji, a katalizatory ujemne służą do ich spowalniania. Oba mogą być korzystne, w zależności od konkretnego pożądanego wyniku.

Katalizatory wykonują swoją pracę poprzez tymczasowe wiązanie lub inną chemiczną modyfikację jednego z reagentów i zmianę jego właściwości fizycznych konformacja lub trójwymiarowy kształt, w sposób ułatwiający przekształcenie reagenta lub reagentów w jeden z produkty. Wyobraź sobie psa, który tarza się w błocie i musi być czysty, zanim będzie mógł wejść do środka. Błoto w końcu samo spłynęłoby z psa, ale gdybyś mógł zrobić coś, co popchnęło psa w stronę zraszacza na podwórku tak, że błoto zostałoby szybko spryskane z futra, służyłbyś w efekcie jako „katalizator” „reakcji” brudnego psa na czystego psa.

Najczęściej produkt pośredni nie pokazany w żadnym zwykłym podsumowaniu reakcji powstaje z substratu i katalizatora, a kiedy ten kompleks jest zamieniany na jeden lub więcej produktów końcowych, katalizator jest regenerowany tak, jakby nic się z nim nie stało w wszystko. Jak wkrótce zobaczysz, proces ten może przebiegać na różne sposoby.

Rozważana jest reakcja jednorodnie katalizowany gdy katalizator i reagent(y) są w tym samym stanie fizycznym lub fazie. Najczęściej dzieje się tak w przypadku par gazowych katalizator-reagent. Rodzaje katalizatorów homogenicznych obejmują kwasy organiczne, w których dodany atom wodoru jest zastąpiony metalem, a liczba związków mieszających w jakiejś postaci pierwiastki węglowe i metaliczne oraz związki karbonylowe połączone z kobaltem lub żelazo.

Przykładem tego typu katalizy z udziałem cieczy jest konwersja jonów nadsiarczanowych i jodkowych do jonów siarczanowych i jodowych:

S₂O₈^2- + 2 ja^- → 2 SO₄^2- + ja₂

Ta reakcja miałaby trudności z samodzielnym przebiegiem pomimo sprzyjającej energetyki, ponieważ obie reagenty są naładowane ujemnie i dlatego ich właściwości elektrostatyczne są sprzeczne z ich właściwościami chemicznymi cechy. Ale jeśli do mieszanki doda się jony żelaza, które niosą ładunek dodatni, żelazo „rozproszy” ujemne ładunki i reakcja szybko posuwa się do przodu.

Naturalnie występująca gazowa kataliza jednorodna to konwersja gazowego tlenu lub O₂, w atmosferze do ozonu lub O₃, gdzie rodniki tlenowe (O^-) są półproduktami. Tutaj światło ultrafioletowe ze słońca jest prawdziwym katalizatorem, ale każdy obecny związek fizyczny jest w tym samym stanie (gazu).

Rozważana jest reakcja heterogenicznie katalizowany gdy katalizator i reagent(y) znajdują się w różnych fazach, przy czym reakcja zachodzi na granicy między nimi (najczęściej na granicy gaz-ciało stałe). Niektóre z bardziej powszechnych katalizatorów heterogenicznych obejmują nieorganiczne – to znaczy nie zawierające węgla – ciała stałe, takie jak pierwiastki metale, siarczki i sole metali, a także trochę substancji organicznych, w tym wodoronadtlenki i jony wymienniki.

Zeolity są ważną klasą katalizatorów heterogenicznych. Są to krystaliczne ciała stałe składające się z powtarzających się jednostek SiO₄. Jednostki czterech z tych połączonych cząsteczek są połączone ze sobą, tworząc różne struktury pierścieniowe i klatkowe. Obecność atomu glinu w krysztale powoduje nierównowagę ładunku, która jest kompensowana przez proton (tj. jon wodoru).

Enzymy to białka, które działają jako katalizatory w żywych systemach. Enzymy te mają składniki zwane miejscami wiązania substratu lub miejscami aktywnymi, do których przyłączają się cząsteczki biorące udział w katalitycznej reakcji. Części składowe wszystkich białek to aminokwasy, a każdy z tych pojedynczych kwasów ma nierównomierny rozkład ładunku od jednego końca do drugiego. Ta właściwość jest głównym powodem, dla którego enzymy posiadają zdolności katalityczne.

Miejsce aktywne na enzymie pasuje do właściwej części substratu (reagentu) jak klucz wchodzący do zamka. Należy zauważyć, że opisane wcześniej katalizatory często katalizują szereg odmiennych reakcji i dlatego nie posiadają takiego stopnia specyficzności chemicznej, jak enzymy.

Ogólnie rzecz biorąc, gdy występuje więcej substratu i więcej enzymu, reakcja przebiega szybciej. Ale jeśli doda się coraz więcej substratu bez dodawania większej ilości enzymu, cały enzymatyczny miejsca wiązania stają się nasycone, a reakcja osiągnęła maksymalną szybkość dla tego enzymu stężenie. Każdą reakcję katalizowaną przez enzym można przedstawić w kategoriach produktów pośrednich utworzonych w wyniku obecności enzymu. Czyli zamiast pisać:

S → P

aby pokazać substrat przekształcający się w produkt, możesz to zobrazować jako:

E + S → ES → E + P

gdzie terminem środkowym jest kompleks enzym-substrat (ES).

Enzymy, chociaż sklasyfikowane jako kategoria katalizatorów odmienna od wymienionych powyżej, mogą być jednorodne lub niejednorodne.

Enzymy działają optymalnie w wąskim zakresie temperatur, co ma sens, biorąc pod uwagę, że w normalnych warunkach temperatura ciała nie waha się o więcej niż kilka stopni. Ekstremalne ciepło niszczy wiele enzymów i powoduje, że tracą swój specyficzny trójwymiarowy kształt w procesie zwanym denaturacją, który dotyczy wszystkich białek.