Різні типи каталізаторів

У хімії, a каталізатор це речовина, яка прискорює швидкість реакції, не витрачаючись сама в реакції. Будь-яка реакція, в якій використовується каталізатор, називається каталіз. Будьте обережні з цим розрізненням, читаючи хімічний матеріал; каталізатор (множина "каталізаторів") є фізичною речовиною, але каталіз (множина "каталізаторів") є процесом.

Огляд кожного з класів каталізаторів є корисною відправною точкою при вивченні аналітичної хімії і розуміння того, що відбувається на молекулярному рівні, коли ви змішуєте речовини разом і виникає реакція. Каталізатори та пов'язані з ними каталітичні реакції бувають трьох основних типів: гомогенні каталізатори, гетерогенні каталізатори та біокаталізатори (зазвичай їх називають ферментами). До менш поширених, але все ще важливих видів діяльності каталізаторів належать фотокаталіз, екологічний каталіз та зелені каталітичні процеси.

Більшість твердих каталізаторів - це метали (наприклад, платина або нікель) або майже метали (наприклад, кремній, бор та алюміній), прикріплені до таких елементів, як кисень і сірка. Каталізатори, що перебувають у рідкій або газовій фазі, частіше складаються з одного елемента, хоча вони можуть поєднуватися з розчинники та інші матеріали, а тверді каталізатори можуть розповсюджуватися у твердій або рідкій матриці, відомій як носій каталізатора.

Каталізатори прискорюють реакції, знижуючи енергія активації Е_а реакції, яка триватиме без каталізатора, але набагато повільніше. Такі реакції мають продукт або продукти з меншою сумарною енергією, ніж енергія реагенту або реагентів; якби це було не так, ці реакції не відбувалися б без додавання зовнішньої енергії. Але щоб перейти з вищого енергетичного стану в нижчий енергетичний, продукти повинні спочатку "перебратися через горб", тобто "горб" - це Е_а. По суті, каталізатори згладжують удари вздовж реакційно-енергетичного шляху, полегшуючи це реагенти, щоб дістатися до енергії "вниз" реакції, просто знизивши висоту "вершина пагорба".

Хімічні системи містять приклади позитивних і негативних каталізаторів, причому перші мають тенденцію прискорювати швидкість реакції, а негативні каталізатори служать для їх уповільнення. І те, і інше може бути вигідним, залежно від конкретного бажаного результату.

Каталізатори виконують свою роботу шляхом тимчасового скріплення або іншого хімічного модифікування одного з реагентів та зміни його фізичного тривимірну форму таким чином, що полегшує перетворення реагенту або реагентів в один із продуктів. Уявіть, що у вас є собака, яка покотилася в грязі і повинна бути чистою, перш ніж вона зможе зайти всередину. Врешті-решт грязь зійшла з собаки сама по собі, але якби ви могли зробити щось, що підштовхнуло собаку у напрямку дворового спринклера щоб грязь швидко розпорошилася з хутра, ви б фактично послужили "каталізатором" "реакції" брудної собаки на чисту собаку.

Найчастіше проміжний продукт, не вказаний у звичайному резюме реакції, утворюється з реагенту та каталізатора, і коли цей комплекс перетворюється на один або декілька кінцевих продуктів, каталізатор регенерується так, ніби нічого з ним ніколи не сталося в всі. Як ви скоро переконаєтесь, цей процес може відбуватися різними способами.

Розглядається реакція гомогенно каталізується коли каталізатор і реагент (и) перебувають в одному фізичному стані або фазі. Найчастіше це відбувається з газоподібними парами каталізатор-реагент. Типи гомогенних каталізаторів включають органічні кислоти, в яких донорний атом водню заміщений металом, a кількість сполук, що змішують вугільні та металеві елементи в якійсь формі, і карбонільних сполук, приєднаних до кобальту або залізо.

Прикладом цього типу каталізу за участю рідин є перетворення іонів персульфату та йодиду в сульфат-іон та йод:

S₂О₈^2- + 2 I^- → 2 ТАК₄^2- + Я₂

Ця реакція буде важко протікати самостійно, незважаючи на сприятливу енергетику, оскільки обидва реагенти заряджені негативно, і тому їх електростатичні якості суперечать їх хімічним речовинам якості. Але якщо до суміші додати іони заліза, які несуть позитивний заряд, залізо «відволікає» негативні заряди, і реакція швидко рухається вперед.

Природний газоподібний гомогенний каталіз - це перетворення кисневого газу або O₂, в атмосфері до озону, або O₃, де кисневі радикали (O^-) є проміжними продуктами. Тут ультрафіолетове світло від сонця є справжнім каталізатором, але кожна присутня фізична сполука знаходиться в однаковому (газовому) стані.

Розглядається реакція гетерогенно каталізується коли каталізатор і реагент (и) перебувають у різних фазах, при цьому реакція відбувається на межі розділу між ними (найчастіше, газо-тверда "межа"). Деякі з найбільш поширених гетерогенних каталізаторів включають неорганічні - тобто невмісні вуглецю - тверді речовини, такі як елементарні метали, сульфіди та солі металів, а також невелика кількість органічних речовин, серед яких гідропероксиди та іони обмінники.

Цеоліти є важливим класом гетерогенних каталізаторів. Це кристалічні тверді речовини, що складаються з повторюваних одиниць SiO₄. Одиниці чотирьох цих з’єднаних молекул з’єднані між собою, утворюючи різні кільцеві та клітинні структури. Наявність атома алюмінію в кристалі створює дисбаланс заряду, який компенсується протоном (тобто іоном водню).

Ферменти - це білки, які функціонують як каталізатори в живих системах. Ці ферменти мають компоненти, які називаються сайтами зв'язування субстрату або активними ділянками, де молекули, що беруть участь в реакції під час каталізу, приєднуються. Складовими частинами всіх білків є амінокислоти, і кожна з цих окремих кислот має нерівномірний розподіл заряду від одного кінця до іншого. Ця властивість є основною причиною того, що ферменти мають каталітичні властивості.

Активний центр ферменту прилягає до правильної частини субстрату (реагенту), а не як ключ, що заходить у замок. Зауважимо, що описані раніше каталізатори часто каталізують безліч різнорідних реакцій і тому не мають тієї ступеня хімічної специфічності, як ферменти.

Загалом, коли більше субстрату та більше ферменту, реакція буде протікати швидше. Але якщо додається все більше і більше субстрату, не додаючи також більше ферменту, всі ферменти сайти зв'язування насичуються, і реакція досягла максимальної швидкості для цього ферменту концентрація. Кожна реакція, що каталізується ферментом, може бути представлена ​​у вигляді проміжних продуктів, що утворюються завдяки присутності ферменту. Тобто замість написання:

S → P

щоб показати субстрат, який перетворюється на виріб, ви можете зобразити це як:

E + S → ES → E + P

де середній термін - це фермент-субстратний (ES) комплекс.

Ферменти, хоча класифікуються як категорія каталізатора, відмінні від перелічених вище, можуть бути як однорідними, так і неоднорідними.

Ферменти оптимально функціонують у вузькому діапазоні температур, що має сенс, враховуючи, що температура тіла не коливається більш ніж на кілька градусів у звичайних умовах. Екстремальне нагрівання руйнує багато ферментів і змушує їх втрачати свою специфічну тривимірну форму - процес, який називається денатурацією, що стосується всіх білків.