Olika typer av katalysatorer

Inom kemi, a katalysator är ett ämne som påskyndar reaktionshastigheten utan att själv konsumeras i reaktionen. Varje reaktion som använder en katalysator benämns katalys. Var försiktig med denna skillnad när du läser kemimaterial; en katalysator (plural "katalysatorer") är en fysisk substans, men katalys (plural "katalyserar") är en process.

En översikt över var och en av klasserna av katalysatorer är en bra utgångspunkt för att lära sig analytisk kemi och förstå vad som händer på molekylär nivå när du blandar ämnen tillsammans och en reaktion inträffar. Katalysatorer och deras associerade katalytiska reaktioner finns i tre huvudtyper: homogena katalysatorer, heterogena katalysatorer och biokatalysatorer (vanligtvis kallade enzymer). Mindre vanliga men fortfarande viktiga typer av katalysatoraktiviteter inkluderar fotokatalys, miljökatalys och gröna katalytiska processer.

Majoriteten av fasta katalysatorer är metaller (t.ex. platina eller nickel) eller nära metaller (t.ex. kisel, bor och aluminium) fästa till element såsom syre och svavel. Katalysatorer som befinner sig i vätske- eller gasfas består sannolikt av ett enda element, även om de kan kombineras med lösningsmedel och annat material och fasta katalysatorer kan spridas i en fast eller flytande matris känd som en katalysatorbärare.

Katalysatorer påskyndar reaktionerna genom att sänka aktiverings energi E_a av en reaktion som skulle gå utan katalysatorn, men långsammare. Sådana reaktioner har en produkt eller produkter med en lägre total energi än för reaktanten eller reaktanterna; om detta inte var fallet skulle dessa reaktioner inte inträffa utan tillsats av extern energi. Men för att komma från det högre energiläget till det lägre energitillståndet måste produkterna "komma över puckeln" först, den "puckeln" är E_a. Katalysatorer utjämnar i huvudsak stötar längs reaktionsenergivägen genom att göra det lättare för reaktanter för att komma till energins "nedgång" för reaktionen genom att helt enkelt sänka höjden på "kulle."

Kemiska system har exempel på positiva och negativa katalysatorer, där de tidigare tenderar att påskynda reaktionshastigheten och negativa katalysatorer tjänar till att sakta ner dem. Båda kan vara fördelaktiga, beroende på önskat specifikt resultat.

Katalysatorer utför sitt arbete genom att tillfälligt binda till eller på annat sätt kemiskt modifiera en av reaktanterna och ändra dess fysiska eller tredimensionell form, på ett sätt som gör det lättare för reaktanten eller reaktanterna att omvandlas till en av Produkter. Tänk dig att du har en hund som har rullat i leran och måste vara ren innan den kan komma in. Gyttjan skulle komma av hunden av sig själv så småningom, men om du kunde göra något som gav hunden riktning mot gårdsprinklern så att leran snabbt skulle sprutas av pälsen, skulle du ha fungerat som en "katalysator" för den smutsiga hundens "reaktion".

Oftast bildas en mellanprodukt som inte visas i någon vanlig sammanfattning av reaktionen från en reaktant och katalysatorn, och när detta komplex ändras till en eller flera slutprodukter, regenereras katalysatorn som om ingenting någonsin hade hänt någon av det vid Allt. Som du kommer att se snart kan denna process äga rum på olika sätt.

En reaktion övervägs homogent katalyserad när katalysatorn och reaktanten / reaktanterna är i samma fysiska tillstånd eller fas. Detta händer oftast med gasformiga katalysator-reaktantpar. Typer av homogena katalysatorer innefattar organiska syror i vilka den donerade väteatomen ersätts med en metall, a antal föreningar som blandar kol- och metallelement i någon form, och karbonylföreningar förenade med kobolt eller järn.

Ett exempel på denna typ av katalys med vätskor är omvandlingen av persulfat- och jodidjoner till sulfatjon och jod:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + Jag₂

Denna reaktion skulle ha svårt att gå vidare på egen hand trots den gynnsamma energin, eftersom båda reaktanter är negativt laddade och därför står deras elektrostatiska egenskaper i motsats till deras kemiska kvaliteter. Men om järnjoner, som har en positiv laddning, läggs till blandningen, "distraherar" järnet de negativa laddningarna och reaktionen går snabbt framåt.

En naturligt förekommande gasformig homogen katalys är omvandlingen av syrgas eller O₂, i atmosfären till ozon, eller O₃, där syreradikaler (O^-) är mellanprodukter. Här är ultraviolett ljus från solen den sanna katalysatorn, men varje fysisk förening som är närvarande är i samma (gas) tillstånd.

En reaktion övervägs heterogent katalyserad när katalysatorn och reaktanten / reaktanterna är i olika faser, varvid reaktionen inträffar vid gränsytan mellan dem (oftast den gasfasta "gränsen"). Några av de vanligaste heterogena katalysatorerna inkluderar oorganiska - det vill säga icke-kolinnehållande - fasta ämnen, såsom elementära metaller, sulfider och metalliska salter, liksom en sönderdelning av organiska ämnen, däribland hydroperoxider och jon växlare.

Zeoliter är en viktig klass av heterogena katalysatorer. Dessa är kristallina fasta ämnen som består av upprepande enheter av SiO₄. Enheter av fyra av dessa sammanfogade molekyler är sammankopplade för att bilda olika ring- och burstrukturer. Närvaron av en aluminiumatom i kristallen skapar en laddningsobalans som kompenseras av en proton (dvs. en vätejon).

Enzymer är proteiner som fungerar som katalysatorer i levande system. Dessa enzymer har komponenter som kallas substratbindningsställen eller aktiva platser, där molekylerna som är involverade i reaktionen under katalys blir bundna. Komponentdelarna i alla proteiner är aminosyror, och var och en av dessa enskilda syror har en ojämn laddningsfördelning från ena änden till den andra. Denna egenskap är den främsta anledningen till att enzymer har katalytiska förmågor.

Det aktiva stället på enzymet passar ihop med den korrekta delen av substratet (reaktanten) snarare som en nyckel som går in i ett lås. Observera att katalysatorerna som beskrivits tidigare ofta katalyserar en rad olika reaktioner och därför inte har den kemiska specificitetsgrad som enzymer gör.

I allmänhet, när mer substrat och mer av ett enzym är närvarande, kommer reaktionen att fortgå snabbare. Men om mer och mer substrat tillsätts utan att tillsätta mer enzym också, allt enzymatiskt bindningsställen blir mättade och reaktionen har nått sin maximala hastighet för det enzymet koncentration. Varje reaktion katalyserad av ett enzym kan representeras i termer av de mellanprodukter som bildas på grund av närvaron av enzymet. Istället för att skriva:

S → P

för att visa att ett substrat omvandlas till en produkt kan du skildra detta som:

E + S → ES → E + P

vari medelterm är enzym-substrat (ES) -komplexet.

Enzymer, även om de klassificeras som kategori av katalysatorer som skiljer sig från de som anges ovan, kan vara antingen homogena eller heterogena.

Enzymer fungerar optimalt inom ett smalt temperaturintervall, vilket är vettigt med tanke på att din kroppstemperatur inte fluktuerar mer än några få grader under vanliga förhållanden. Extrem värme förstör många enzymer och får dem att förlora sin specifika tredimensionella form, en process som kallas denaturering som gäller alla proteiner.