Različne vrste katalizatorjev

V kemiji a katalizator je snov, ki pospeši hitrost reakcije, ne da bi se v reakciji porabila. Vsaka reakcija, pri kateri se uporablja katalizator, se imenuje kataliza. Pri branju kemije bodite previdni pri tem razlikovanju; katalizator (množica "katalizatorji") je fizikalna snov, toda kataliza (množica "katalizatorji") je postopek.

Pregled vsakega razreda katalizatorjev je koristno izhodišče pri učenju analitične kemije in razumevanje, kaj se zgodi na molekularni ravni, ko snovi med seboj pomešate in pride do reakcije. Katalizatorji in z njimi povezane katalitične reakcije obstajajo v treh glavnih vrstah: homogeni katalizatorji, heterogeni katalizatorji in biokatalizatorji (običajno imenovani encimi). Med manj pogoste, a še vedno pomembne vrste katalizatorskih dejavnosti spadajo fotokataliza, kataliza okolja in zeleni katalitični procesi.

Večina trdnih katalizatorjev so kovine (npr. Platina ali nikelj) ali skoraj kovine (npr. Silicij, bor in aluminij), pritrjene na elemente, kot sta kisik in žveplo. Katalizatorji, ki so v tekoči ali plinski fazi, imajo večjo verjetnost, da so sestavljeni iz enega samega elementa, čeprav jih je mogoče kombinirati z topila in druge snovi, trdni katalizatorji pa se lahko razpršijo v trdni ali tekoči matriki, ki je znana kot nosilec katalizatorja.

Katalizatorji pospešijo reakcije z znižanjem aktivacijska energija E_a reakcije, ki bi potekala brez katalizatorja, vendar veliko počasneje. Takšne reakcije imajo proizvod ali izdelke z nižjo skupno energijo kot reaktant ali reaktanti; če ne bi bilo tako, se te reakcije ne bi pojavile brez dodajanja zunanje energije. Da pa pridejo iz višjega v nižje energetsko stanje, morajo proizvodi najprej "preboleti grbo", pri čemer je "grba" E_a. Katalizatorji v bistvu zgladijo neravnine vzdolž reakcijsko-energijske ceste, tako da olajšajo delovanje reaktanti, da pridejo do energijske "spodnje strani" reakcije s preprostim znižanjem nadmorske višine "vrh hriba."

V kemičnih sistemih so primeri pozitivnih in negativnih katalizatorjev, pri čemer prvi pospešujejo hitrost reakcije, negativni katalizatorji pa jih upočasnjujejo. Oboje je lahko koristno, odvisno od specifičnega želenega rezultata.

Katalizatorji svoje delo opravljajo tako, da začasno vežejo ali kako drugače kemično prilagodijo enega od reaktantov in spremenijo njegovo fizikalno ali tridimenzionalno obliko na način, ki olajša pretvorbo reaktanta ali reaktantov v enega od izdelkov. Predstavljajte si, da imate psa, ki se je valjal v blatu in mora biti čist, preden lahko pride noter. Blato bi se s psa sčasoma spustilo samo od sebe, toda če bi lahko storili nekaj, kar je psa potisnilo v smeri škropilnice tako da bi se blato hitro poškropilo s krzna, bi dejansko služili kot "katalizator" "reakcije umazanega psa na čistega psa".

Najpogosteje vmesni produkt, ki ni prikazan v običajnem povzetku reakcije, nastane iz reaktanta in katalizatorja in ko se ta kompleks spremeni v enega ali več končnih produktov, se katalizator regenerira, kot da se ob vse. Kot boste kmalu videli, lahko ta postopek poteka na različne načine.

Upošteva se reakcija homogeno katalizirana kadar sta katalizator in reaktant (i) v enakem agregatnem stanju ali fazi. To se najpogosteje zgodi pri plinastih parih katalizator-reaktant. Vrste homogenih katalizatorjev vključujejo organske kisline, v katerih je darovani atom vodika nadomeščen s kovino, a število spojin, ki v neki obliki mešajo ogljikove in kovinske elemente, in karbonilne spojine, spojene s kobaltom oz železo.

Primer te vrste katalize s tekočinami je pretvorba persulfata in jodidnih ionov v sulfatne ione in jod:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + Jaz₂

Ta reakcija bi se kljub ugodni energiji težko nadaljevala sama, ker oboje reaktanti so negativno nabiti, zato so njihove elektrostatične lastnosti v nasprotju z njihovimi kemikalijami lastnosti. Če pa se mešanici dodajo železovi ioni, ki nosijo pozitiven naboj, železo "odvrne" negativne naboje in reakcija se hitro premakne naprej.

Naravna plinasta homogena kataliza je pretvorba kisikovega plina ali O₂v ozračju do ozona ali O₃, kjer so kisikovi radikali (O^-) so vmesni proizvodi. Tu je ultravijolična svetloba sonca pravi katalizator, vendar je vsaka prisotna fizična spojina v enakem (plinskem) stanju.

Upošteva se reakcija heterogeni katalizirani kadar sta katalizator in reagent (-i) v različnih fazah, pri čemer se reakcija pojavi na vmesniku med njimi (najpogosteje "meja" plina in trdne snovi). Nekateri najpogostejši heterogeni katalizatorji vključujejo anorganske trdne snovi, ki ne vsebujejo ogljika, kot so elementarne kovine, sulfidi in kovinske soli, pa tudi drobne organske snovi, med njimi hidroperoksidi in ioni izmenjevalci.

Zeoliti so pomemben razred heterogenih katalizatorjev. To so kristalinične trdne snovi, sestavljene iz ponavljajočih se enot SiO₄. Enote štirih teh združenih molekul so povezane skupaj, da tvorijo različne strukture obroča in kletke. Prisotnost atoma aluminija v kristalu ustvarja neravnovesje naboja, ki ga kompenzira proton (tj. Vodikov ion).

Encimi so beljakovine, ki delujejo kot katalizatorji v živih sistemih. Ti encimi imajo komponente, imenovane mesta vezave substrata ali aktivna mesta, kjer se molekule, ki sodelujejo v reakciji pod katalizo, vežejo. Sestavni deli vseh beljakovin so aminokisline in vsaka od teh posameznih kislin ima neenakomerno porazdelitev naboja od enega do drugega konca. Ta lastnost je glavni razlog, da imajo encimi katalitične lastnosti.

Aktivno mesto na encimu se prilega skupaj s pravilnim delom substrata (reagenta) in je kot ključ, ki gre v ključavnico. Upoštevajte, da prej opisani katalizatorji pogosto katalizirajo vrsto različnih reakcij in zato nimajo stopnje kemijske specifičnosti kot encimi.

Na splošno, ko je prisotnih več substrata in več encima, bo reakcija potekala hitreje. Če pa dodamo vedno več substrata, ne da bi dodali tudi več encima, vsi encimski mesta vezave postanejo nasičena in reakcija je dosegla najvišjo hitrost za ta encim koncentracija. Vsako reakcijo, ki jo katalizira encim, lahko predstavimo z vmesnimi produkti, ki nastanejo zaradi prisotnosti encima. To pomeni, da namesto pisanja:

S → P

če želite prikazati substrat, ki se preoblikuje v izdelek, lahko to prikažete kot:

E + S → ES → E + P

kjer je srednji izraz kompleks encim-substrat (ES).

Encimi, čeprav so razvrščeni kot kategorija katalizatorjev, ki se razlikujejo od zgoraj naštetih, so lahko homogeni ali heterogeni.

Encimi optimalno delujejo v ozkem temperaturnem območju, kar je smiselno glede na to, da telesna temperatura v običajnih pogojih ne niha za več kot nekaj stopinj. Ekstremna toplota uniči številne encime in povzroči, da izgubijo svojo specifično tridimenzionalno obliko, postopek, imenovan denaturacija, ki velja za vse beljakovine.