Rôzne typy katalyzátorov

V chémii, a katalyzátor je látka, ktorá urýchľuje rýchlosť reakcie bez toho, aby sa pri reakcii spotrebovala. Akákoľvek reakcia, ktorá využíva katalyzátor, sa nazýva katalýza. Pri čítaní chemických materiálov buďte opatrní. katalyzátor (množné číslo „katalyzátory“) je fyzikálna látka, ale katalýza (množné číslo „katalyzátory“) je proces.

Prehľad každej z tried katalyzátorov je užitočným východiskovým bodom pri učení sa analytickej chémii a pochopenie toho, čo sa stane na molekulárnej úrovni, keď zmiešate látky dokopy a dôjde k reakcii. Katalyzátory a s nimi spojené katalytické reakcie prichádzajú do troch hlavných typov: homogénne katalyzátory, heterogénne katalyzátory a biokatalyzátory (zvyčajne sa nazývajú enzýmy). Medzi menej bežné, ale stále dôležité typy katalyzátorových aktivít patria fotokatalýza, environmentálna katalýza a zelené katalytické procesy.

Väčšina pevných katalyzátorov sú kovy (napr. Platina alebo nikel) alebo blízke kovy (napr. Kremík, bór a hliník) pripojené k prvkom, ako je kyslík a síra. Katalyzátory, ktoré sú v kvapalnej alebo plynnej fáze, pozostávajú s väčšou pravdepodobnosťou z jedného prvku, aj keď môžu byť kombinované s rozpúšťadlá a iný materiál a pevné katalyzátory sa môžu diseminovať v pevnej alebo kvapalnej matrici známej ako nosič katalyzátora.

Katalyzátory urýchľujú reakcie znížením hodnoty aktivačná energia E_a reakcie, ktorá by prebehla bez katalyzátora, ale oveľa pomalšie. Takéto reakcie majú produkt alebo produkty s nižšou celkovou energiou ako energia reaktantu alebo reaktantov; ak by to tak nebolo, tieto reakcie by sa neobjavili bez pridania vonkajšej energie. Ale aby sme sa dostali z vyššieho energetického stavu do nízkoenergetického stavu, musia sa výrobky najskôr „dostať cez hrb“, pričom tento „hrb“ je E_a. Katalyzátory v podstate vyhladzujú hrbole pozdĺž cesty reakčnej energie tým, že uľahčujú reaktantov, aby sa dostali k energii "downslope" reakcie jednoduchým znížením nadmorskej výšky "vrchol."

Chemické systémy obsahujú príklady pozitívnych a negatívnych katalyzátorov, z ktorých prvé majú tendenciu urýchľovať rýchlosť reakcie a negatívne katalyzátory slúžia na ich spomalenie. Oboje môže byť výhodné v závislosti od konkrétneho požadovaného výsledku.

Katalyzátory vykonávajú svoju prácu dočasným naviazaním na alebo inak chemicky modifikujú jeden z reaktantov a menia jeho fyzikálne vlastnosti konformácie alebo trojrozmerného tvaru spôsobom, ktorý uľahčuje transformáciu reaktantu alebo reaktantov na jeden z Produkty. Predstavte si, že máte psa, ktorý sa váľal v bahne a musí byť čistý, kým sa dostane dovnútra. Bahno by sa nakoniec zo psa samo odlepilo, ale ak by ste mohli urobiť niečo, čo psa popichlo v smere k záhradnému postrekovaču aby sa bahno z jeho srsti rýchlo vystrieklo, slúžili by ste v skutočnosti ako „katalyzátor“ reakcie „špinavého psa na čistého psa“.

Najčastejšie sa medziprodukt, ktorý nie je uvedený v žiadnom bežnom súhrne reakcie, vytvorí z reaktantu a katalyzátora a keď sa tento komplex zmení na jeden alebo viac konečných produktov, katalyzátor sa regeneruje, akoby sa nikdy ničomu nestalo všetko. Ako čoskoro uvidíte, tento proces môže prebiehať rôznymi spôsobmi.

Zvažuje sa reakcia homogénne katalyzovaný keď sú katalyzátor a reaktant (y) v rovnakom fyzikálnom stave alebo fáze. Najčastejšie sa to stane s pármi plynných katalyzátorov a reaktantov. Medzi typy homogénnych katalyzátorov patria organické kyseliny, v ktorých je darovaný atóm vodíka nahradený kovom, a počet zlúčenín miešajúcich v istej forme uhlíkové a kovové prvky a karbonylové zlúčeniny spojené s kobaltom alebo železo.

Príkladom tohto typu katalýzy zahrnujúcej kvapaliny je premena persíranových a jodidových iónov na síranový ión a jód:

S₂O₈^2- + 2 ja^- → 2 SO₄^2- + Ja₂

Táto reakcia by sama o sebe ťažko pokračovala aj napriek priaznivej energetike, pretože oboje reaktanty sú negatívne nabité, a preto sú ich elektrostatické vlastnosti v rozpore s ich chemickými látkami kvality. Ale ak sa do zmesi pridajú ióny železa, ktoré nesú kladný náboj, železo „odvádza pozornosť“ od negatívnych nábojov a reakcia sa posúva rýchlo dopredu.

Prirodzene sa vyskytujúca plynná homogénna katalýza je premena plynného kyslíka alebo O₂, v atmosfére na ozón alebo O₃, kde kyslíkové radikály (O^-) sú medziprodukty. Tu je ultrafialové svetlo zo slnka skutočným katalyzátorom, ale každá prítomná fyzikálna zlúčenina je v rovnakom (plynnom) stave.

Zvažuje sa reakcia heterogénne katalyzovaný keď sú katalyzátor a reaktant (reaktanty) v rôznych fázach, pričom reakcia prebieha na rozhraní medzi nimi (najčastejšie ide o „plynnú hranicu“). Niektoré z najbežnejších heterogénnych katalyzátorov zahŕňajú anorganické pevné látky, tj. Neobsahujúce uhlík, ako napríklad elementárne zložky. kovy, sulfidy a soli kovov, ako aj prach z organických látok, medzi nimi hydroperoxidy a ióny výmenníky.

Zeolity sú dôležitou triedou heterogénnych katalyzátorov. Jedná sa o kryštalické pevné látky tvorené opakujúcimi sa jednotkami SiO₄. Jednotky štyroch z týchto spojených molekúl sú navzájom spojené a vytvárajú rôzne kruhové a klietkové štruktúry. Prítomnosť atómu hliníka v kryštáli vytvára nerovnováhu náboja, ktorá je kompenzovaná protónom (t. J. Vodíkovým iónom).

Enzýmy sú bielkoviny, ktoré fungujú ako katalyzátory v živých systémoch. Tieto enzýmy majú zložky, ktoré sa nazývajú väzbové miesta pre substrát alebo aktívne miesta, kde sa molekuly zapojené do reakcie pri katalýze spájajú. Zložkami všetkých proteínov sú aminokyseliny a každá z týchto jednotlivých kyselín má nerovnomerné rozloženie náboja z jedného konca na druhý. Táto vlastnosť je hlavným dôvodom, prečo majú enzýmy katalytické schopnosti.

Aktívne miesto na enzýme zapadá do správnej časti substrátu (reaktantu) skôr ako kľúč vstupujúci do zámku. Upozorňujeme, že katalyzátory opísané vyššie často katalyzujú rad odlišných reakcií, a preto nemajú taký stupeň chemickej špecifickosti ako enzýmy.

Všeobecne, ak je prítomných viac substrátu a viac enzýmu, reakcia bude prebiehať rýchlejšie. Ale ak sa pridá viac a viac substrátu bez toho, aby sa pridalo aj viac enzýmu, všetko enzymatické väzobné miesta sa nasýtia a reakcia dosiahla maximálnu rýchlosť pre tento enzým koncentrácia. Každá reakcia katalyzovaná enzýmom môže byť zastúpená v zmysle medziproduktov vytvorených v dôsledku prítomnosti enzýmu. To znamená, namiesto písania:

S → P

ak chcete zobraziť substrát, ktorý sa transformuje na produkt, môžete to znázorniť ako:

E + S → ES → E + P

pričom stredný termín je komplex enzým-substrát (ES).

Enzýmy, aj keď sú klasifikované ako kategória katalyzátorov odlišných od tých, ktoré sú uvedené vyššie, môžu byť buď homogénne alebo heterogénne.

Enzýmy fungujú optimálne v úzkom teplotnom rozmedzí, čo dáva zmysel za predpokladu, že vaša telesná teplota za bežných podmienok nekolíše o viac ako niekoľko stupňov. Extrémne teplo ničí mnoho enzýmov a spôsobuje ich stratu špecifického trojrozmerného tvaru, čo je proces nazývaný denaturácia, ktorý sa vzťahuje na všetky bielkoviny.