Farklı Katalizör Türleri

Kimyada, bir katalizör reaksiyonda kendisi tüketilmeden reaksiyonun hızını artıran maddedir. Katalizör kullanan herhangi bir reaksiyona denir. kataliz. Kimya materyallerini okurken bu ayrım konusunda dikkatli olun; bir katalizör (çoğul "katalizörler") fiziksel bir maddedir, ancak kataliz (çoğul "katalizler") bir süreçtir.

Katalizör sınıflarının her birine genel bir bakış, analitik kimyayı öğrenmede yardımcı bir başlangıç ​​noktasıdır. ve maddeleri birlikte karıştırdığınızda ve bir reaksiyon oluştuğunda moleküler düzeyde neler olduğunu anlamak. Katalizörler ve bunlarla ilişkili katalitik reaksiyonlar üç ana tipte gelir: homojen katalizörler, heterojen katalizörler ve biyokatalistler (genellikle enzimler olarak adlandırılır). Daha az yaygın ama yine de önemli katalizör faaliyetleri türleri arasında fotokataliz, çevresel kataliz ve yeşil katalitik işlemler bulunur.

Katı katalizörlerin çoğu oksijen ve kükürt gibi elementlere bağlı metaller (örneğin platin veya nikel) veya yakın metallerdir (örneğin silikon, bor ve alüminyum). Sıvı veya gaz fazında bulunan katalizörlerin tek bir elementten oluşmaları daha olasıdır, ancak bunlarla birleştirilebilirler. çözücüler ve diğer malzemeler ve katı katalizörler, katalizör desteği olarak bilinen katı veya sıvı bir matris içinde yayılabilir.

Katalizörler, reaksiyonu hızlandırarak aktivasyon enerjisi E_bir katalizör olmadan, ancak çok daha yavaş ilerleyecek bir reaksiyonun. Bu tür reaksiyonlar, reaktan veya reaktanlardan daha düşük toplam enerjiye sahip bir ürün veya ürünlere sahiptir; durum böyle olmasaydı, bu reaksiyonlar dış enerji eklenmeden gerçekleşmeyecekti. Ancak daha yüksek enerji durumundan daha düşük enerji durumuna geçmek için, ürünlerin önce "tümsek'i aşması" gerekir, bu "kambur" E'dir._bir. Katalizörler, özünde, reaksiyon-enerji yolu boyunca tümsekleri yumuşatır. Reaktantlar, sadece seviyenin yüksekliğini düşürerek reaksiyonun "aşağı iniş" enerjisine ulaşmak için "tepe."

Kimyasal sistemler, pozitif ve negatif katalizörlerin örneklerine sahiptir, birincisi reaksiyon hızını hızlandırma eğilimi gösterirken, negatif katalizörler onları yavaşlatmaya hizmet eder. İstenen spesifik sonuca bağlı olarak her ikisi de avantajlı olabilir.

Katalizörler, reaktiflerden birine geçici olarak bağlanarak veya başka şekilde kimyasal olarak modifiye ederek ve fiziksel olarak değiştirerek işlerini gerçekleştirirler. reaktan veya reaktanların aşağıdakilerden birine dönüştürülmesini kolaylaştıracak şekilde konformasyon veya üç boyutlu şekil Ürün:% s. Çamurda yuvarlanan ve içeri girmeden önce temizlenmesi gereken bir köpeğiniz olduğunu hayal edin. Çamur köpekten eninde sonunda kendi kendine çıkar, ama eğer köpeği bahçedeki fıskiyeye doğru iten bir şey yapabilirsen. çamurun kürkünden çabucak püskürtülebilmesi için, aslında kirli köpekten temiz köpek "tepkisine" bir "katalizör" olarak hizmet etmiş olurdunuz.

Çoğu zaman, herhangi bir sıradan reaksiyon özetinde gösterilmeyen bir ara ürün, bir reaktan ve katalizörden oluşur ve Bu kompleks bir veya daha fazla nihai ürüne dönüştürüldüğünde, katalizör, sanki hiçbirine hiçbir şey olmamış gibi yeniden üretilir. herşey. Birazdan göreceğiniz gibi, bu süreç çeşitli şekillerde gerçekleşebilir.

Bir tepki düşünülür homojen olarak katalize edilmiş katalizör ve reaktan(lar) aynı fiziksel durumda veya fazda olduğunda. Bu genellikle gaz halindeki katalizör-reaktan çiftleri ile olur. Homojen katalizör türleri arasında, bağışlanan hidrojen atomunun bir metal ile değiştirildiği organik asitler bulunur. karbon ve metal elementleri bir şekilde karıştıran bileşiklerin sayısı ve kobalt veya kobalta katılan karbonil bileşikleri Demir.

Sıvıları içeren bu tür katalize bir örnek, persülfat ve iyodür iyonlarının sülfat iyonu ve iyodine dönüştürülmesidir:

S₂Ö₈^2- + 2 ben^- → 2 SO₄^2- + ben₂

Olumlu enerjiye rağmen bu reaksiyonun kendi başına ilerlemesi zor olacaktır, çünkü her ikisi de reaktanlar negatif yüklüdür ve bu nedenle elektrostatik nitelikleri kimyasallarına zıttır. nitelikler. Ancak pozitif yük taşıyan demir iyonları karışıma eklenirse, demir negatif yükleri "dikkatini dağıtır" ve reaksiyon hızla ilerler.

Doğal olarak oluşan gaz halinde homojen bir kataliz, oksijen gazının veya O2'nin dönüştürülmesidir.₂, atmosferde ozona veya O₃, burada oksijen radikalleri (O^-) ara maddelerdir. Burada, güneşten gelen morötesi ışık gerçek katalizördür, ancak mevcut her fiziksel bileşik aynı (gaz) haldedir.

Bir tepki düşünülür heterojen katalizli katalizör ve reaktan(lar) farklı fazlarda olduğunda, reaksiyon aralarındaki arayüzde (en yaygın olarak gaz-katı "sınır") meydana geldiğinde. Daha yaygın heterojen katalizörlerden bazıları, inorganik - yani karbon içermeyen - katıları içerir. metaller, sülfürler ve metalik tuzların yanı sıra aralarında hidroperoksitler ve iyon bulunan organik maddelerin saçılması eşanjörler.

Zeolitler, heterojen katalizörlerin önemli bir sınıfıdır. Bunlar, tekrarlayan SiO birimlerinden oluşan kristal katılardır.₄. Bu birleştirilmiş moleküllerin dördünün birimleri, farklı halka ve kafes yapıları oluşturmak üzere birbirine bağlanır. Kristalde bir alüminyum atomunun varlığı, bir proton (yani bir hidrojen iyonu) tarafından dengelenen bir yük dengesizliği yaratır.

Enzimler, canlı sistemlerde katalizör görevi gören proteinlerdir. Bu enzimler, kataliz altında reaksiyona dahil olan moleküllerin bağlandığı substrat bağlanma bölgeleri veya aktif bölgeler olarak adlandırılan bileşenlere sahiptir. Tüm proteinlerin bileşen parçaları amino asitlerdir ve bu bireysel asitlerin her biri bir uçtan diğerine eşit olmayan bir yük dağılımına sahiptir. Bu özellik, enzimlerin katalitik yeteneklere sahip olmasının ana nedenidir.

Enzim üzerindeki aktif bölge, bir kilide giren bir anahtar gibi, substratın (reaktan) doğru kısmı ile birleşir. Daha önce açıklanan katalizörlerin genellikle bir dizi farklı reaksiyonu katalize ettiğine ve bu nedenle enzimlerin sahip olduğu kimyasal özgüllük derecesine sahip olmadığına dikkat edin.

Genel olarak, daha fazla substrat ve daha fazla enzim mevcut olduğunda, reaksiyon daha hızlı ilerleyecektir. Ancak daha fazla enzim eklenmeden daha fazla substrat eklenirse, enzimatik bağlanma yerleri doymuş hale gelir ve reaksiyon, o enzim için maksimum hızına ulaşır. konsantrasyon. Bir enzim tarafından katalize edilen her reaksiyon, enzimin varlığından dolayı oluşan ara ürünler cinsinden temsil edilebilir. Yani, yazmak yerine:

S → P

bir ürüne dönüştürülen bir alt tabakayı göstermek için bunu şu şekilde gösterebilirsiniz:

E + S → ES → E + P

burada orta terim, enzim-substrat (ES) kompleksidir.

Enzimler, yukarıda listelenenlerden farklı bir katalizör kategorisi olarak sınıflandırılmalarına rağmen, homojen veya heterojen olabilir.

Enzimler dar bir sıcaklık aralığında en iyi şekilde çalışır; bu, normal koşullarda vücut sıcaklığınızın birkaç dereceden fazla dalgalanmadığı göz önüne alındığında mantıklıdır. Aşırı ısı birçok enzimi yok eder ve tüm proteinler için geçerli olan denatüre etme adı verilen bir süreç olan özel üç boyutlu şekillerini kaybetmelerine neden olur.