Diferite tipuri de catalizatori

În chimie, a catalizator este o substanță care accelerează viteza unei reacții fără ca ea însăși să fie consumată în reacție. Orice reacție care folosește un catalizator este denumită cataliză. Aveți grijă la această distincție atunci când citiți materiale chimice; un catalizator (plural "catalizatori") este o substanță fizică, dar cataliza (pluralul "catalizează") este un proces.

O privire de ansamblu asupra fiecărei clase de catalizatori este un punct de plecare util în învățarea chimiei analitice și înțelegerea a ceea ce se întâmplă la nivel molecular atunci când amestecați substanțe împreună și apare o reacție. Catalizatorii și reacțiile lor catalitice asociate vin în trei tipuri principale: catalizatori omogeni, catalizatori eterogeni și biocatalizatori (denumiți de obicei enzime). Tipuri mai puțin frecvente, dar încă importante de activități catalizatoare includ fotocataliza, cataliza mediului și procesele catalitice verzi.

Majoritatea catalizatorilor solizi sunt metale (de exemplu, platină sau nichel) sau aproape metale (de exemplu, siliciu, bor și aluminiu) atașate la elemente precum oxigenul și sulful. Catalizatorii care se află în faza lichidă sau gazoasă sunt mai susceptibili de a consta dintr-un singur element, deși pot fi combinați cu solvenții și alte materiale și catalizatorii solizi pot fi diseminați într-o matrice solidă sau lichidă cunoscută sub numele de suport catalizator.

Catalizatorii accelerează reacțiile prin scăderea energie activatoare E_A a unei reacții care ar urma fără catalizator, dar mult mai încet. Astfel de reacții au un produs sau produse cu o energie totală mai mică decât cea a reactantului sau reactanților; dacă nu ar fi cazul, aceste reacții nu ar avea loc fără adăugarea de energie externă. Dar pentru a ajunge de la starea de energie superioară la starea de energie mai mică, produsele trebuie mai întâi să „treacă peste cocoașă”, acea „cocoașă” fiind E_A. Catalizatorii, în esență, netezesc umflăturile de-a lungul drumului de reacție-energie, facilitând astfel reactanți pentru a ajunge la energia "descendentă" a reacției prin simpla coborâre a elevației „culmea dealului”.

Sistemele chimice prezintă exemple de catalizatori pozitivi și negativi, primii având tendința de a accelera viteza reacției și catalizatorii negativi servesc la încetinirea lor. Ambele pot fi avantajoase, în funcție de rezultatul specific dorit.

Catalizatorii își desfășoară activitatea prin legarea temporară sau modificarea chimică a unuia dintre reactanți și schimbarea fizică a acestuia conformație sau formă tridimensională, într-un mod care facilitează transformarea reactantului sau reactanților într-unul din produse. Imaginați-vă că aveți un câine care s-a rostogolit în noroi și care trebuie să fie curat înainte de a putea intra înăuntru. Nămolul s-ar desprinde de la câine de la sine în cele din urmă, dar dacă ați putea face ceva care l-a împins pe câine în direcția stropitorului de curte astfel încât noroiul să fie stropit rapid de pe blană, ați fi servit efectiv ca „catalizator” al „reacției” câinelui murdar la câinele curat.

Cel mai adesea, un produs intermediar care nu este prezentat în nici un rezumat obișnuit al reacției este format dintr-un reactant și catalizator și când acest complex este transformat într-unul sau mai multe produse finale, catalizatorul este regenerat ca și când nimic nu i s-ar fi întâmplat vreodată la toate. După cum veți vedea în scurt timp, acest proces poate avea loc într-o varietate de moduri.

Se ia în considerare o reacție catalizat omogen când catalizatorul și reactantul (reactanții) sunt în aceeași stare fizică sau fază. Acest lucru se întâmplă cel mai adesea cu perechile gazoase catalizator-reactant. Tipurile de catalizatori omogeni includ acizi organici în care atomul de hidrogen donat este înlocuit cu un metal, a numărul de compuși care amestecă elemente de carbon și metal într-o anumită formă și compuși carbonilici uniți la cobalt sau fier.

Un exemplu al acestui tip de cataliză care implică lichide este conversia ionilor de persulfat și iodură în ion sulfat și iod:

S₂O₈^2- + 2 eu^- → 2 SO₄^2- + Eu₂

Această reacție ar avea dificultăți în a se desfășura singură, în ciuda energiei favorabile, deoarece ambele reactanții sunt încărcați negativ și, prin urmare, calitățile lor electrostatice sunt în opoziție cu substanța lor chimică calități. Dar dacă la amestec se adaugă ioni de fier, care poartă o sarcină pozitivă, fierul „distrage atenția” sarcinilor negative și reacția avansează rapid.

O cataliză gazoasă omogenă naturală este conversia oxigenului gazos sau O₂, în atmosferă la ozon, sau O₃, unde radicalii de oxigen (O^-) sunt intermediari. Aici, lumina ultravioletă de la soare este adevăratul catalizator, dar fiecare compus fizic prezent se află în aceeași stare (gaz).

Se ia în considerare o reacție catalizat eterogen când catalizatorul și reactantul (reactanții) sunt în faze diferite, reacția având loc la interfața dintre ele (cel mai frecvent, „chenarul” gazosolid). Unii dintre cei mai comuni catalizatori eterogeni includ solide anorganice - adică fără conținut de carbon - cum ar fi elementare metale, sulfuri și săruri metalice, precum și o cantitate de substanțe organice, printre care hidroperoxizi și ioni schimbătoare.

Zeoliții sunt o clasă importantă de catalizatori eterogeni. Acestea sunt solide cristaline formate din unități repetate de SiO₄. Unitățile a patru dintre aceste molecule unite sunt legate între ele pentru a forma diferite structuri inelare și cușcă. Prezența unui atom de aluminiu în cristal creează un dezechilibru de încărcare, care este compensat de un proton (adică un ion hidrogen).

Enzimele sunt proteine ​​care funcționează ca catalizatori în sistemele vii. Aceste enzime au componente numite site-uri de legare a substratului, sau site-uri active, unde moleculele implicate în reacția sub cataliză se atașează. Părțile componente ale tuturor proteinelor sunt aminoacizi și fiecare dintre acești acizi are o distribuție inegală a sarcinii de la un capăt la altul. Această proprietate este principalul motiv pentru care enzimele posedă capacități catalitice.

Situl activ de pe enzimă se potrivește împreună cu partea corectă a substratului (reactant) mai degrabă ca o cheie care intră într-o încuietoare. Rețineți că catalizatorii descriși mai devreme catalizează adesea o serie de reacții diferite și, prin urmare, nu posedă gradul de specificitate chimică pe care îl au enzimele.

În general, atunci când sunt prezenți mai mult substrat și mai multă enzimă, reacția va continua mai repede. Dar dacă se adaugă din ce în ce mai mult substrat fără a adăuga și mai multe enzime, tot enzimaticul siturile de legare devin saturate, iar reacția a atins viteza maximă pentru enzima respectivă concentraţie. Fiecare reacție catalizată de o enzimă poate fi reprezentată în termeni de produse intermediare formate datorită prezenței enzimei. Adică, în loc să scrie:

S → P

pentru a arăta un substrat care se transformă într-un produs, puteți descrie acest lucru ca:

E + S → ES → E + P

în care termenul mediu este complexul enzimă-substrat (ES).

Enzimele, deși clasificate ca categorii de catalizatori distincte de cele enumerate mai sus, pot fi omogene sau eterogene.

Enzimele funcționează optim într-un interval de temperatură restrâns, ceea ce are sens având în vedere că temperatura corpului dvs. nu fluctuează cu mai mult de câteva grade în condiții obișnuite. Căldura extremă distruge multe enzime și le determină să-și piardă forma tridimensională specifică, proces denumit denaturare care se aplică tuturor proteinelor.