Diferentes tipos de catalisadores

Na química, um catalisador é uma substância que acelera a taxa de uma reação sem ser consumida na reação. Qualquer reação que faz uso de um catalisador é denominada catálise. Tenha cuidado com essa distinção ao ler material de química; um catalisador (plural "catalisadores") é uma substância física, mas a catálise (plural "catalisadores") é um processo.

Uma visão geral de cada uma das classes de catalisadores é um ponto de partida útil no aprendizado de química analítica e entender o que acontece no nível molecular quando você mistura substâncias e ocorre uma reação. Os catalisadores e suas reações catalíticas associadas vêm em três tipos principais: catalisadores homogêneos, catalisadores heterogêneos e biocatalisadores (geralmente chamados de enzimas). Tipos de atividades de catalisador menos comuns, mas ainda importantes, incluem fotocatálise, catálise ambiental e processos catalíticos verdes.

A maioria dos catalisadores sólidos são metais (por exemplo, platina ou níquel) ou quase metais (por exemplo, silício, boro e alumínio) ligados a elementos como oxigênio e enxofre. Catalisadores que estão na fase líquida ou gasosa são mais propensos a consistir em um único elemento, embora possam ser combinados com solventes e outros materiais e catalisadores sólidos podem ser disseminados dentro de uma matriz sólida ou líquida conhecida como um suporte de catalisador.

Os catalisadores aceleram as reações diminuindo o energia de ativação E_uma de uma reação que ocorreria sem o catalisador, mas muito mais lentamente. Essas reações têm um produto ou produtos com energia total inferior à do reagente ou reagentes; se não fosse esse o caso, essas reações não ocorreriam sem a adição de energia externa. Mas para ir do estado de energia mais alta para o estado de energia mais baixa, os produtos devem "superar a saliência" primeiro, essa "saliência" sendo o E_uma. Os catalisadores, em essência, suavizam os solavancos ao longo da estrada da energia de reação, tornando mais fácil para o reagentes para chegar ao "declive" de energia da reação simplesmente diminuindo a elevação do "topo da colina."

Os sistemas químicos apresentam exemplos de catalisadores positivos e negativos, com os primeiros tendendo a acelerar a taxa da reação e os catalisadores negativos servindo para desacelerá-los. Ambos podem ser vantajosos, dependendo do resultado específico desejado.

Os catalisadores realizam seu trabalho ligando-se temporariamente ou modificando quimicamente um dos reagentes e alterando seu conformação, ou forma tridimensional, de uma forma que torna mais fácil para o reagente ou reagentes serem transformados em um dos produtos. Imagine ter um cachorro que rolou na lama e precisa ser limpo antes de entrar. A lama sairia sozinha do cachorro eventualmente, mas se você pudesse fazer algo que cutucasse o cachorro na direção do irrigador do quintal de modo que a lama fosse borrifada de seu pelo rapidamente, você teria servido de fato como um "catalisador" da "reação" de cachorro sujo para cachorro limpo.

Na maioria das vezes, um produto intermediário não mostrado em qualquer resumo comum da reação é formado a partir de um reagente e do catalisador, e quando este complexo é transformado em um ou mais produtos finais, o catalisador é regenerado como se nada tivesse acontecido a qualquer um deles em tudo. Como você verá em breve, esse processo pode ocorrer de várias maneiras.

Uma reação é considerada catalisado homogeneamente quando o catalisador e o (s) reagente (s) estão no mesmo estado físico ou fase. Isso acontece com mais frequência com pares de catalisador-reagente gasoso. Os tipos de catalisadores homogêneos incluem ácidos orgânicos nos quais o átomo de hidrogênio doado é substituído por um metal, um número de compostos que combinam elementos de carbono e metal de alguma forma, e compostos de carbonila unidos ao cobalto ou ferro.

Um exemplo desse tipo de catálise envolvendo líquidos é a conversão de íons persulfato e iodeto em íon sulfato e iodo:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + I₂

Esta reação teria dificuldade em prosseguir por conta própria, apesar da energética favorável, porque ambos reagentes são carregados negativamente e, portanto, suas qualidades eletrostáticas são em oposição a seus qualidades. Mas se íons de ferro, que carregam uma carga positiva, são adicionados à mistura, o ferro "distrai" as cargas negativas e a reação avança rapidamente.

Uma catálise gasosa homogênea que ocorre naturalmente é a conversão de gás oxigênio, ou O₂, na atmosfera para o ozônio, ou O₃, onde os radicais de oxigênio (O^-) são intermediários. Aqui, a luz ultravioleta do sol é o verdadeiro catalisador, mas todos os compostos físicos presentes estão no mesmo estado (gás).

Uma reação é considerada catalisado heterogeneamente quando o catalisador e o (s) reagente (s) estão em fases diferentes, com a reação ocorrendo na interface entre eles (mais comumente, a "fronteira" gás-sólido). Alguns dos catalisadores heterogêneos mais comuns incluem sólidos inorgânicos - isto é, não contendo carbono - como elementais metais, sulfetos e sais metálicos, bem como um punhado de substâncias orgânicas, entre elas hidroperóxidos e íons trocadores.

Os zeólitos são uma classe importante de catalisadores heterogêneos. Estes são sólidos cristalinos compostos de unidades repetidas de SiO₄. Unidades de quatro dessas moléculas unidas são ligadas entre si para formar diferentes estruturas em anel e gaiola. A presença de um átomo de alumínio no cristal cria um desequilíbrio de carga, que é compensado por um próton (ou seja, um íon de hidrogênio).

As enzimas são proteínas que funcionam como catalisadores em sistemas vivos. Essas enzimas têm componentes chamados sítios de ligação ao substrato, ou sítios ativos, onde as moléculas envolvidas na reação sob catálise se ligam. As partes componentes de todas as proteínas são aminoácidos e cada um desses ácidos individuais tem uma distribuição desigual de carga de uma extremidade à outra. Esta propriedade é a principal razão pela qual as enzimas possuem capacidades catalíticas.

O sítio ativo da enzima se encaixa na parte correta do substrato (reagente), como uma chave que vai para uma fechadura. Observe que os catalisadores descritos anteriormente geralmente catalisam uma série de reações diferentes e, portanto, não possuem o grau de especificidade química que as enzimas possuem.

Em geral, quando mais substrato e mais enzima estão presentes, a reação ocorre mais rapidamente. Mas se mais e mais substrato for adicionado sem adicionar mais enzima também, todas as enzimas locais de ligação tornam-se saturados, e a reação atingiu sua taxa máxima para aquela enzima concentração. Cada reação catalisada por uma enzima pode ser representada em termos de produtos intermediários formados devido à presença da enzima. Ou seja, em vez de escrever:

S → P

para mostrar um substrato sendo transformado em um produto, você pode descrever isso como:

E + S → ES → E + P

em que o termo do meio é o complexo enzima-substrato (ES).

As enzimas, embora classificadas como uma categoria de catalisador distinta das listadas acima, podem ser homogêneas ou heterogêneas.

As enzimas funcionam perfeitamente dentro de uma faixa estreita de temperatura, o que faz sentido, visto que a temperatura do seu corpo não flutua mais do que alguns graus em condições normais. O calor extremo destrói muitas enzimas e faz com que percam sua forma tridimensional específica, um processo chamado desnaturação que se aplica a todas as proteínas.