ตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทต่างๆ

ในวิชาเคมี a ตัวเร่ง เป็นสารที่เร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยที่ตัวมันเองไม่ถูกบริโภคในปฏิกิริยา ปฏิกิริยาใด ๆ ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเรียกว่า ตัวเร่งปฏิกิริยา. ระมัดระวังเกี่ยวกับความแตกต่างนี้เมื่ออ่านเนื้อหาเกี่ยวกับเคมี ตัวเร่งปฏิกิริยา (พหูพจน์ "ตัวเร่งปฏิกิริยา") เป็นสารทางกายภาพ แต่ตัวเร่งปฏิกิริยา (พหูพจน์ "ตัวเร่งปฏิกิริยา") เป็นกระบวนการ

ภาพรวมของตัวเร่งปฏิกิริยาแต่ละคลาสเป็นจุดเริ่มต้นที่เป็นประโยชน์ในการเรียนรู้เคมีวิเคราะห์ และทำความเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นในระดับโมเลกุลเมื่อคุณผสมสารเข้าด้วยกันและเกิดปฏิกิริยาขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาและปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องมีสามประเภทหลัก: ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกัน และตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ (ปกติเรียกว่าเอนไซม์) กิจกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทที่พบได้น้อยแต่ยังคงมีความสำคัญ ได้แก่ การเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง ตัวเร่งปฏิกิริยาด้านสิ่งแวดล้อม และกระบวนการเร่งปฏิกิริยาสีเขียว

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่เป็นโลหะ (เช่น แพลตตินั่มหรือนิกเกิล) หรือโลหะใกล้ตัว (เช่น ซิลิกอน โบรอน และอะลูมิเนียม) ที่ยึดติดกับองค์ประกอบต่างๆ เช่น ออกซิเจนและกำมะถัน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่อยู่ในเฟสของเหลวหรือแก๊สมักจะประกอบด้วยธาตุเดี่ยวมากกว่า แม้ว่าอาจรวมเข้ากับ ตัวทำละลายและวัสดุอื่น ๆ และตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งอาจถูกกระจายภายในเมทริกซ์ที่เป็นของแข็งหรือของเหลวที่เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาโดยลด พลังงานกระตุ้น อี ของปฏิกิริยาที่จะดำเนินไปโดยไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ช้ากว่ามาก ปฏิกิริยาดังกล่าวมีผลิตภัณฑ์หรือผลิตภัณฑ์ที่มีพลังงานรวมต่ำกว่าของตัวทำปฏิกิริยาหรือสารตั้งต้น หากไม่เป็นเช่นนั้น ปฏิกิริยาเหล่านี้จะไม่เกิดขึ้นหากไม่มีการเพิ่มพลังงานจากภายนอก แต่เพื่อให้ได้สถานะพลังงานที่สูงขึ้นไปสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่า ผลิตภัณฑ์ต้อง "ผ่านโคก" ก่อน โดย "โคก" คือ E. ตัวเร่งปฏิกิริยาในสาระสำคัญทำให้การกระแทกเรียบไปตามถนนพลังงานปฏิกิริยาโดยทำให้ .ง่ายขึ้น สารตั้งต้นเพื่อให้ได้พลังงาน "ความชัน" ของปฏิกิริยาโดยเพียงแค่ลดระดับความสูงของ "ยอดเขา"

ระบบเคมีมีตัวอย่างของตัวเร่งปฏิกิริยาบวกและลบ โดยที่ตัวเร่งปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบเพื่อชะลอความเร็ว ทั้งสองอย่างสามารถเป็นข้อได้เปรียบ ขึ้นอยู่กับผลลัพธ์เฉพาะที่ต้องการ

ตัวเร่งปฏิกิริยาทำงานโดยพันธะชั่วคราวหรือดัดแปลงทางเคมีของสารตั้งต้นตัวใดตัวหนึ่งและเปลี่ยนทางกายภาพของมัน การจัดรูปหรือรูปทรงสามมิติ ในลักษณะที่ทำให้สารตั้งต้นหรือสารตั้งต้นเปลี่ยนรูปเป็นสารตัวใดตัวหนึ่งได้ง่ายขึ้น สินค้า. ลองนึกภาพว่ามีสุนัขที่กลิ้งอยู่ในโคลนและต้องทำความสะอาดก่อนจึงจะเข้าไปข้างในได้ โคลนจะหลุดออกจากตัวสุนัขในที่สุด แต่ถ้าคุณสามารถทำอะไรที่ดันสุนัขไปในทิศทางของสปริงเกลอร์ที่สนาม เพื่อให้โคลนถูกพ่นออกจากขนของมันอย่างรวดเร็ว คุณจะทำหน้าที่เป็น "ตัวเร่งปฏิกิริยา" ของ "ปฏิกิริยา" ของสุนัขสกปรกต่อสุนัขสะอาด

ส่วนใหญ่แล้ว ผลิตภัณฑ์ขั้นกลางที่ไม่แสดงในบทสรุปทั่วไปของปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นจากสารตั้งต้นและตัวเร่งปฏิกิริยา และ เมื่อคอมเพล็กซ์นี้ถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอย่างน้อยหนึ่งชิ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกสร้างขึ้นใหม่ราวกับว่าไม่มีอะไรเกิดขึ้นกับมันเลย ทั้งหมด. ดังที่คุณเห็นในไม่ช้า กระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นได้หลายวิธี

ถือว่าเป็นปฏิกิริยา เร่งเป็นเนื้อเดียวกัน เมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตั้งต้นอยู่ในสถานะทางกายภาพหรือเฟสเดียวกัน สิ่งนี้มักเกิดขึ้นกับคู่ตัวเร่งปฏิกิริยา-ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นก๊าซ ประเภทของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันรวมถึงกรดอินทรีย์ซึ่งอะตอมไฮโดรเจนที่ได้รับบริจาคจะถูกแทนที่ด้วยโลหะ จำนวนสารประกอบที่ผสมคาร์บอนและธาตุโลหะในบางรูปแบบ และสารประกอบคาร์บอนิลที่เชื่อมกับโคบอลต์หรือ เหล็ก.

ตัวอย่างของตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทนี้ที่เกี่ยวข้องกับของเหลวคือการเปลี่ยนไอออนของเพอร์ซัลเฟตและไอโอไดด์เป็นซัลเฟตไอออนและไอโอดีน:

ส₂อู๋₈^2- + 2 ฉัน^- → 2 SO₄^2- + ฉัน₂

ปฏิกิริยานี้จะมีช่วงเวลาที่ยากลำบากในการดำเนินไปของมันเองทั้งๆ ที่มีพลังงานที่เอื้ออำนวย เพราะทั้งสองอย่าง สารตั้งต้นมีประจุลบ ดังนั้นคุณสมบัติไฟฟ้าสถิตจึงขัดต่อสารเคมี คุณสมบัติ แต่ถ้าไอออนของเหล็กซึ่งมีประจุบวกถูกเติมเข้าไปในส่วนผสม เหล็กจะ "เบี่ยงเบน" ประจุลบและปฏิกิริยาจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างรวดเร็ว

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันของก๊าซที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติคือการแปลงของก๊าซออกซิเจนหรือ O₂, ในบรรยากาศสู่โอโซนหรือ O₃โดยที่อนุมูลออกซิเจน (O^-) เป็นตัวกลาง ที่นี่ แสงอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่แท้จริง แต่สารประกอบทางกายภาพทั้งหมดที่อยู่ในสถานะเดียวกัน (ก๊าซ)

ถือว่าเป็นปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกัน เมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวทำปฏิกิริยาอยู่ในเฟสต่างกัน โดยมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยา (โดยปกติคือ "เส้นขอบ" ที่เป็นของแข็งของแก๊ส) ตัวเร่งปฏิกิริยาต่างกันทั่วไปบางตัว ได้แก่ สารอนินทรีย์ – ซึ่งไม่มีคาร์บอน – ของแข็ง เช่น ธาตุ โลหะซัลไฟด์และเกลือของโลหะรวมถึงสารอินทรีย์ที่กระจัดกระจายในหมู่พวกเขาไฮโดรเปอร์ออกไซด์และไอออน ผู้แลกเปลี่ยน

ซีโอไลต์เป็นชั้นสำคัญของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน เหล่านี้เป็นของแข็งผลึกที่ประกอบด้วยหน่วยซ้ำของSiO₄. หน่วยของสี่โมเลกุลที่เชื่อมต่อกันเหล่านี้เชื่อมโยงกันเพื่อสร้างโครงสร้างวงแหวนและกรงที่แตกต่างกัน การปรากฏตัวของอะตอมอะลูมิเนียมในคริสตัลทำให้เกิดความไม่สมดุลของประจุ ซึ่งถูกชดเชยด้วยโปรตอน (เช่น ไฮโดรเจนไอออน)

เอ็นไซม์เป็นโปรตีนที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในระบบสิ่งมีชีวิต เอ็นไซม์เหล่านี้มีส่วนประกอบที่เรียกว่าซับสเตรตจับไซต์ หรือไซต์แอคทีฟ ซึ่งโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาภายใต้การเร่งปฏิกิริยาจะเกาะติด ส่วนประกอบของโปรตีนทั้งหมดคือกรดอะมิโน และกรดแต่ละตัวเหล่านี้มีการกระจายประจุที่ไม่สม่ำเสมอจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง คุณสมบัตินี้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เอนไซม์มีความสามารถในการเร่งปฏิกิริยา

ตำแหน่งที่ทำงานบนเอนไซม์จะพอดีกับส่วนที่ถูกต้องของสารตั้งต้น (ตัวทำปฏิกิริยา) มากกว่าที่จะเป็นกุญแจที่เข้าไปในตัวล็อค โปรดทราบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้มักจะกระตุ้นอาร์เรย์ของปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงไม่มีระดับของความจำเพาะทางเคมีที่เอนไซม์ทำ

โดยทั่วไป เมื่อมีซับสเตรตและเอ็นไซม์มากขึ้น ปฏิกิริยาจะดำเนินการเร็วขึ้น แต่ถ้ามีการเติมสารตั้งต้นมากขึ้นเรื่อยๆ โดยไม่เพิ่มเอ็นไซม์อีกเช่นกัน เอนไซม์ทั้งหมด ตำแหน่งการจับจะอิ่มตัว และปฏิกิริยาได้มาถึงอัตราสูงสุดของเอนไซม์นั้นแล้ว ความเข้มข้น ปฏิกิริยาแต่ละอย่างเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์สามารถแสดงในรูปของผลิตภัณฑ์ขั้นกลางที่เกิดขึ้นจากการมีอยู่ของเอนไซม์ นั่นคือแทนที่จะเขียน:

S → P

เพื่อแสดงวัสดุพิมพ์ที่ถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ คุณสามารถอธิบายสิ่งนี้ได้ดังนี้:

E + S → ES → E + P

โดยที่ระยะกลางคือสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-สารตั้งต้น (ES)

เอ็นไซม์ แม้ว่าจะถูกจำแนกเป็นหมวดหมู่ของตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างจากที่ระบุไว้ข้างต้น แต่ก็สามารถเป็นเนื้อเดียวกันหรือต่างกันก็ได้

เอ็นไซม์ทำงานอย่างเหมาะสมภายในช่วงอุณหภูมิที่แคบ ซึ่งสมเหตุสมผลเนื่องจากอุณหภูมิร่างกายของคุณไม่ผันผวนมากกว่าสองสามองศาในสภาวะปกติ ความร้อนสูงทำลายเอนไซม์จำนวนมากและทำให้สูญเสียรูปร่างสามมิติที่เฉพาะเจาะจง กระบวนการที่เรียกว่าการทำให้เสียสภาพ (denaturing) ซึ่งใช้กับโปรตีนทั้งหมด