Различные типы катализаторов

В химии катализатор это вещество, которое ускоряет скорость реакции, но само не расходуется в реакции. Любая реакция, в которой используется катализатор, называется катализ. Будьте осторожны с этим различием при чтении материалов по химии; катализатор (во множественном числе «катализаторы») - это физическое вещество, но катализ (во множественном числе «катализаторы») - это процесс.

Обзор каждого из классов катализаторов - полезная отправная точка в изучении аналитической химии. и понимание того, что происходит на молекулярном уровне, когда вы смешиваете вещества вместе и происходит реакция. Катализаторы и связанные с ними каталитические реакции бывают трех основных типов: гомогенные катализаторы, гетерогенные катализаторы и биокатализаторы (обычно называемые ферментами). Менее распространенные, но все же важные виды активности катализаторов включают фотокатализ, экологический катализ и экологические каталитические процессы.

Большинство твердых катализаторов - это металлы (например, платина или никель) или почти металлы (например, кремний, бор и алюминий), присоединенные к таким элементам, как кислород и сера. Катализаторы, которые находятся в жидкой или газовой фазе, с большей вероятностью будут состоять из одного элемента, хотя они могут быть объединены с растворители и другие материалы, а также твердые катализаторы могут быть распределены в твердой или жидкой матрице, известной как носитель катализатора.

Катализаторы ускоряют реакцию за счет снижения энергия активации E_а реакции, которая протекает без катализатора, но гораздо медленнее. В таких реакциях есть продукт или продукты с более низкой общей энергией, чем у реагента или реагентов; в противном случае эти реакции не могли бы происходить без добавления внешней энергии. Но чтобы перейти из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией, продукты должны сначала «преодолеть горб», причем этот «горб» является буквой E_а. Катализаторы, по сути, сглаживают неровности на пути энергии реакции, облегчая реагентов, чтобы добраться до энергетического "спада" реакции, просто понизив высоту "на вершине холма".

В химических системах есть примеры положительных и отрицательных катализаторов, причем первые имеют тенденцию ускорять скорость реакции, а отрицательные катализаторы служат для их замедления. И то, и другое может быть выгодным, в зависимости от желаемого конкретного результата.

Катализаторы выполняют свою работу, временно связываясь или иным образом химически модифицируя один из реагентов и изменяя его физические свойства. конформация или трехмерная форма таким образом, чтобы облегчить преобразование реагента или реагентов в один из продукты. Представьте себе собаку, которая валяется в грязи, и ее нужно очистить, прежде чем она сможет войти внутрь. Грязь со временем сошла бы с собаки сама по себе, но если бы вы могли сделать что-нибудь, что толкнуло бы собаку в направлении разбрызгивателя во дворе так что грязь будет быстро распыляться с его шерсти, вы, по сути, послужили бы «катализатором» реакции «грязной собаки» на «чистую собаку».

Чаще всего промежуточный продукт, не показанный в обычном обзоре реакции, образуется из реагента и катализатора, и когда этот комплекс превращается в один или несколько конечных продуктов, катализатор регенерируется, как если бы ни с одним из них ничего никогда не происходило при все. Как вы вскоре увидите, этот процесс может происходить разными способами.

Реакция считается гомогенно катализированный когда катализатор и реагент (ы) находятся в одном физическом состоянии или фазе. Чаще всего это происходит с парами газообразный катализатор-реагент. Типы гомогенных катализаторов включают органические кислоты, в которых отданный атом водорода заменен на металл, количество соединений, в которых в той или иной форме сочетаются углеродные и металлические элементы, а также карбонильные соединения, соединенные с кобальтом или утюг.

Примером этого типа катализа с участием жидкостей является превращение персульфат- и йодид-ионов в сульфат-ион и йод:

S₂O₈^2- + 2 я^- → 2 СО₄^2- + Я₂

Эта реакция будет трудно протекать сама по себе, несмотря на благоприятную энергетику, потому что оба реагенты заряжены отрицательно, и поэтому их электростатические свойства противоречат их химическим свойствам. качества. Но если в смесь добавляются ионы железа, несущие положительный заряд, железо «отвлекает» отрицательные заряды, и реакция быстро продвигается вперед.

Естественный газообразный гомогенный катализ - это превращение газообразного кислорода, или O₂, в атмосфере в озон, или O₃, где кислородные радикалы (O^-) являются промежуточными звеньями. Здесь ультрафиолетовый свет от солнца является истинным катализатором, но все присутствующие физические соединения находятся в одном и том же (газовом) состоянии.

Реакция считается гетерогенно катализируемый когда катализатор и реагент (ы) находятся в разных фазах, причем реакция происходит на границе раздела между ними (чаще всего на границе газ-твердое тело). Некоторые из наиболее распространенных гетерогенных катализаторов включают неорганические, то есть не содержащие углерод, твердые вещества, такие как элементарные металлов, сульфидов и солей металлов, а также некоторых органических веществ, в том числе гидропероксидов и ионов обменники.

Цеолиты - важный класс гетерогенных катализаторов. Это твердые кристаллические вещества, состоящие из повторяющихся звеньев SiO.₄. Единицы четырех из этих соединенных молекул связаны вместе, образуя различные кольцевые и каркасные структуры. Присутствие атома алюминия в кристалле создает дисбаланс заряда, который компенсируется протоном (то есть ионом водорода).

Ферменты - это белки, которые действуют как катализаторы в живых системах. Эти ферменты имеют компоненты, называемые сайтами связывания субстрата или активными сайтами, где молекулы, участвующие в реакции при катализе, присоединяются. Составными частями всех белков являются аминокислоты, и каждая из этих отдельных кислот имеет неравномерное распределение заряда от одного конца к другому. Это свойство является основной причиной того, что ферменты обладают каталитическими способностями.

Активный центр фермента совпадает с правильной частью субстрата (реагента), как ключ, входящий в замок. Обратите внимание, что катализаторы, описанные ранее, часто катализируют множество разнородных реакций и, следовательно, не обладают такой степенью химической специфичности, как ферменты.

В общем, когда присутствует больше субстрата и больше фермента, реакция будет протекать быстрее. Но если добавляется все больше и больше субстрата без добавления фермента, все ферментативные сайты связывания становятся насыщенными, и реакция достигла максимальной скорости для этого фермента концентрация. Каждую реакцию, катализируемую ферментом, можно представить в виде промежуточных продуктов, образующихся благодаря присутствию фермента. То есть вместо написания:

S → P

чтобы показать преобразование субстрата в продукт, вы можете изобразить это как:

E + S → ES → E + P

где средний термин представляет собой комплекс фермент-субстрат (ES).

Ферменты, хотя и классифицируются как категория катализаторов, отличная от перечисленных выше, могут быть гомогенными или гетерогенными.

Ферменты оптимально работают в узком температурном диапазоне, что имеет смысл, учитывая, что температура вашего тела не колеблется более чем на несколько градусов в обычных условиях. Сильный нагрев разрушает многие ферменты и заставляет их терять свою трехмерную форму, процесс, называемый денатурированием, применим ко всем белкам.