Различите врсте катализатора

У хемији, а катализатор је супстанца која убрзава брзину реакције, а да се сама не троши у реакцији. Свака реакција која користи катализатор назива се катализа. Будите пажљиви на ову разлику када читате хемијски материјал; катализатор (множина „катализатори“) је физичка супстанца, али је катализа (множина „катализатори“) процес.

Преглед сваке класе катализатора корисно је полазиште за учење аналитичке хемије и разумевање шта се дешава на молекуларном нивоу када мешате супстанце и дође до реакције. Катализатори и с њима повезане каталитичке реакције постоје у три главна типа: хомогени катализатори, хетерогени катализатори и биокатализатори (обично звани ензими). Мање уобичајене, али још увек важне врсте активности катализатора укључују фотокатализу, катализу околине и зелене каталитичке процесе.

Већина чврстих катализатора су метали (нпр. Платина или никл) или готово метали (нпр. Силицијум, бор и алуминијум) везани за елементе као што су кисеоник и сумпор. Вероватније је да се катализатори који се налазе у течној или гасној фази састоје од једног елемента, мада могу да се комбинују са растварачи и други материјали, а чврсти катализатори могу се дисеминирати унутар чврсте или течне матрице која је позната као носач катализатора.

Катализатори убрзавају реакције спуштањем енергија активације Е._а реакције која би се одвијала без катализатора, али далеко спорије. Такве реакције имају производ или производе са мањом укупном енергијом од реактанта или реактаната; да то није случај, ове реакције се не би појавиле без додавања спољне енергије. Али да би из вишег енергетског стања прешли у ниже енергетско стање, производи морају прво „прећи преко грбе“, а та грба је Е_а. Катализатори у основи изравнавају неравнине дуж реакционо-енергетског пута чинећи га лакшим за реактанти доћи до енергетског „пада“ реакције једноставним спуштањем надморске висине „врх брда“.

Хемијски системи садрже примере позитивних и негативних катализатора, при чему први теже да убрзају брзину реакције, а негативни катализатори служе за њихово успоравање. Обе могу бити корисне, у зависности од жељеног конкретног исхода.

Катализатори обављају свој посао привременим везивањем или хемијском модификацијом неког другог реактанта и променом његовог физичког конформације или тродимензионалног облика, на начин који олакшава претварање реактанта или реактаната у један од производи. Замислите да имате пса који се ваљао у блату и мора бити чист пре него што уђе унутра. Блато би се на крају само одвојило од пса, али ако бисте могли нешто учинити што је пса гурнуло у правцу дворишне прскалице да би се блато брзо распршило са свог крзна, ви бисте у ствари послужили као „катализатор“ реакције прљавог пса на чистог пса.

Најчешће се интермедијарни производ који није приказан ни у једном уобичајеном сажетку реакције формира од реактанта и катализатора, и када се овај комплекс промени у један или више коначних производа, катализатор се регенерише као да се ни једном од њих никада ништа није десило све. Као што ћете ускоро видети, овај процес се може одвијати на разне начине.

Разматра се реакција хомогено катализовано када су катализатор и реактант (и) у истом физичком стању или фази. То се најчешће дешава са гасовитим паровима катализатор-реактант. Типови хомогених катализатора укључују органске киселине у којима је донирани атом водоника замењен металом, а број једињења која мешају елементе угљеника и метала у неком облику, и карбонилна једињења спојена са кобалтом или гвожђе.

Пример ове врсте катализе која укључује течности је конверзија персулфатних и јодидних јона у сулфатне јоне и јод:

С.₂О.₈^2- + 2 И^- → 2 СО₄^2- + И₂

Ова реакција би имала потешкоће да се сама од себе упркос повољној енергији, јер и једно и друго реактанти су негативно наелектрисани и због тога су њихови електростатички квалитети у супротности са њиховим хемикалијама квалитете. Али ако се мешавини додају јони гвожђа који носе позитивно наелектрисање, гвожђе „одвлачи пажњу” негативних наелектрисања и реакција се брзо креће напред.

Природна гасовита хомогена катализа је конверзија гаса кисеоника или О₂, у атмосфери до озона, или О₃, где радикали кисеоника (О^-) су интермедијари. Овде је ултраљубичасто светло од сунца прави катализатор, али свако присутно физичко једињење је у истом (гасном) стању.

Разматра се реакција хетерогено катализована када су катализатор и реактант (и) у различитим фазама, при чему се реакција одвија на интерфејсу између њих (најчешће „граница“ гас-чврста супстанца). Неки од најчешћих хетерогених катализатора укључују неорганске - тј. Чврсте материје које не садрже угљеник, као што су елементарне метали, сулфиди и металне соли, као и мало органских супстанци, међу којима су хидропероксиди и јони размењивачи.

Зеолити су важна класа хетерогених катализатора. То су кристалне чврсте материје сачињене од понављајућих јединица СиО₄. Јединице четири од ових спојених молекула повезане су заједно да би створиле различите структуре прстена и кавеза. Присуство атома алуминијума у ​​кристалу ствара неравнотежу наелектрисања, коју надокнађује протон (тј. Јон водоника).

Ензими су протеини који функционишу као катализатори у живим системима. Ови ензими имају компоненте назване места везивања супстрата или активна места, на која се молекули укључени у реакцију под катализом везују. Саставни делови свих протеина су аминокиселине и свака од ових појединачних киселина има неравномерну расподелу наелектрисања с једног на други крај. Ово својство је главни разлог због којег ензими поседују каталитичке способности.

Активно место на ензиму се уклапа заједно са тачним делом супстрата (реактаната), пре као кључ који улази у браву. Имајте на уму да раније описани катализатори често катализују низ различитих реакција и стога немају степен хемијске специфичности који имају ензими.

Генерално, када је присутно више супстрата и више ензима, реакција ће се одвијати брже. Али ако се дода све више и више супстрата без додавања више ензима, сви ензими места везивања постају засићена и реакција је достигла максималну брзину за тај ензим концентрација. Свака реакција катализована ензимом може се представити у терминима интермедијарних производа који настају захваљујући присуству ензима. Односно, уместо писања:

С → П.

да бисте приказали супстрат који се трансформише у производ, можете то приказати као:

Е + С → ЕС → Е + П

при чему је средњи термин комплекс ензима и супстрата (ЕС).

Ензими, иако класификовани као категорија катализатора, различити од горе наведених, могу бити хомогени или хетерогени.

Ензими оптимално функционишу у уском температурном опсегу, што има смисла с обзиром на то да телесна температура у нормалним условима не флуктуира за више од неколико степени. Екстремна топлота уништава многе ензиме и доводи до тога да изгубе свој специфични тродимензионални облик, процес назван денатурацијом који се односи на све протеине.