Różne rodzaje katalizatorów

Zawartość

• Ogólna charakterystyka katalizatorów
• Katalizator chemiczny
• Homogeniczna kataliza
• Heterogeniczna kataliza
• Enzymy

W chemii a katalizator jest substancją, która przyspiesza szybkość reakcji, ale sama nie jest zużywana w reakcji. Każda reakcja wykorzystująca katalizator jest określana kataliza. Uważaj na to rozróżnienie podczas czytania materiału chemicznego; katalizator (liczba mnoga „katalizatory”) jest substancją fizyczną, ale kataliza (liczba mnoga „katalizuje”) jest procesem.

Przegląd każdej z klas katalizatorów jest pomocnym punktem wyjścia do nauki chemii analitycznej i zrozumienia tego, co dzieje się na poziomie molekularnym, gdy zmieszamy ze sobą substancje i nastąpi reakcja. Katalizatory i związane z nimi reakcje katalityczne występują w trzech głównych typach: homogeniczne katalizatory, heterogeniczne katalizatory i biokatalizatory (zwykle nazywane enzymami). Mniej powszechne, ale wciąż ważne rodzaje aktywności katalizatora obejmują fotokatalizę, katalizę środowiskową i zielone procesy katalityczne.

Ogólna charakterystyka katalizatorów

Większość stałych katalizatorów to metale (np. Platyna lub nikiel) lub bliskie metale (np. Krzem, bor i aluminium) przyłączone do pierwiastków takich jak tlen i siarka. Katalizatory znajdujące się w fazie ciekłej lub gazowej z większym prawdopodobieństwem składają się z jednego pierwiastka, chociaż można je łączyć z rozpuszczalnikami i innym materiałem, a stałe katalizatory można rozprowadzać w stałej lub ciekłej matrycy znanej jako nośnik katalizatora.

Katalizatory przyspieszają reakcje, obniżając energia aktywacji mi_za reakcji, która przebiegałaby bez katalizatora, ale znacznie wolniej. Takie reakcje mają produkt lub produkty o niższej całkowitej energii niż energia reagenta lub reagentów; gdyby tak nie było, reakcje te nie wystąpiłyby bez dodania energii zewnętrznej. Ale aby przejść od wyższego stanu energetycznego do niższego stanu energetycznego, produkty muszą najpierw „przejść przez garb”, przy czym „garb” to E_za. Katalizatory w istocie wygładzają nierówności na drodze reakcji i energii, ułatwiając reagentom dotarcie do „opadania” energii reakcji po prostu obniżając wysokość „szczytu wzgórza”.

Układy chemiczne zawierają przykłady dodatnich i ujemnych katalizatorów, przy czym te pierwsze przyspieszają szybkość reakcji, a katalizatory ujemne służą do ich spowolnienia. Oba mogą być korzystne, w zależności od konkretnego pożądanego wyniku.

Katalizator chemiczny

Katalizatory wykonują swoją pracę przez czasowe wiązanie lub modyfikację chemiczną jednego z reagentów lub zmianę jego fizycznej budowy lub trójwymiarowego kształtu, w sposób, który ułatwia przekształcenie reagenta lub reagentów w jeden z produktów. Wyobraź sobie psa, który potoczył się w błocie i musi być czysty, aby mógł wejść do środka. W końcu błoto samo zejdzie z psa, ale gdybyś mógł zrobić coś, co popchnęłoby psa w kierunku tryskacza ogrodowego, aby szybko spryskać jego futro, działałbyś jako „katalizator” reakcja „brudnego psa na czystego psa”.

Najczęściej produkt pośredni nie pokazany w żadnym zwykłym podsumowaniu reakcji powstaje z reagenta i katalizatora, a gdy kompleks ten zmienia się w jeden lub więcej produktów końcowych, katalizator regeneruje się tak, jakby nic się nie stało w ogóle. Jak wkrótce zobaczycie, proces ten może odbywać się na wiele sposobów.

Homogeniczna kataliza

Rozważana jest reakcja jednorodnie katalizowany gdy katalizator i reagent (y) znajdują się w tym samym stanie fizycznym lub fazie. Najczęściej dzieje się tak w przypadku gazowych par katalizator-reagent. Typy homogenicznych katalizatorów obejmują kwasy organiczne, w których oddany atom wodoru jest zastąpiony metalem, szereg związków mieszających węgiel i pierwiastki metalowe w pewnej postaci oraz związki karbonylowe połączone z kobaltem lub żelazem.

Przykładem tego rodzaju katalizy z udziałem płynów jest konwersja jonów nadsiarczanowych i jodkowych do jonów siarczanowych i jodu:

S.₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + I₂

Reakcja ta byłaby trudna sama, pomimo korzystnej energetyki, ponieważ oba reagenty są naładowane ujemnie, a zatem ich właściwości elektrostatyczne są sprzeczne z ich właściwościami chemicznymi. Ale jeśli jony żelaza, które niosą ładunek dodatni, zostaną dodane do mieszanki, żelazo „rozprasza” ładunki ujemne i reakcja przebiega szybko do przodu.

Naturalnie występującą gazową homogeniczną katalizą jest konwersja gazowego tlenu lub O₂, w atmosferze do ozonu lub O₃, gdzie rodniki tlenowe (O^-) są półproduktami. Tutaj ultrafioletowe światło słoneczne jest prawdziwym katalizatorem, ale każdy obecny związek fizyczny jest w tym samym stanie (gazowym).

Heterogeniczna kataliza

Rozważana jest reakcja heterogenicznie katalizowany gdy katalizator i reagent (y) znajdują się w różnych fazach, przy czym reakcja zachodzi na granicy faz między nimi (najczęściej „granica” gazu z ciałem stałym). Niektóre z bardziej powszechnych heterogenicznych katalizatorów obejmują nieorganiczne - to znaczy niezawierające węgla - substancje stałe, takie jak metale elementarne, siarczki i sole metali, a także rozdrabnianie substancji organicznych, w tym wodoronadtlenki i wymieniacze jonowe.

Zeolity są ważną klasą heterogenicznych katalizatorów. Są to krystaliczne ciała stałe złożone z powtarzających się jednostek SiO₄. Jednostki czterech z tych połączonych cząsteczek są połączone ze sobą, tworząc różne struktury pierścieniowe i klatkowe. Obecność atomu glinu w krysztale powoduje nierównowagę ładunku, która jest kompensowana przez proton (tj. Jon wodoru).

Enzymy

Enzymy to białka działające jako katalizatory w żywych układach. Enzymy te mają składniki zwane miejscami wiązania substratu lub miejscami aktywnymi, w których przyłączają się cząsteczki biorące udział w reakcji podczas katalizy. Części składowe wszystkich białek to aminokwasy, a każdy z tych kwasów ma nierównomierny rozkład ładunku z jednego końca na drugi. Ta właściwość jest głównym powodem, dla którego enzymy posiadają zdolności katalityczne.

Aktywne miejsce enzymu pasuje razem z odpowiednią częścią substratu (reagentem) raczej jak klucz wchodzący do zamka. Należy zauważyć, że opisane wcześniej katalizatory często katalizują szereg odmiennych reakcji, a zatem nie mają stopnia swoistości chemicznej jak enzymy.

Ogólnie, gdy obecnych jest więcej substratu i enzymu, reakcja przebiega szybciej. Ale jeśli dodaje się coraz więcej substratu bez dodawania większej ilości enzymu, wszystkie enzymatyczne miejsca wiązania stają się nasycone, a reakcja osiąga maksymalną szybkość dla tego stężenia enzymu. Każda reakcja katalizowana przez enzym może być reprezentowana w kategoriach produktów pośrednich powstałych w wyniku obecności enzymu. Oznacza to, że zamiast pisać:

S → P

Aby pokazać podłoże przekształcane w produkt, możesz to przedstawić jako:

E + S → ES → E + P

przy czym terminem średnim jest kompleks enzym-substrat (ES).

Enzymy, chociaż sklasyfikowane jako kategoria katalizatora odrębna od wymienionych powyżej, mogą być jednorodne lub heterogeniczne.

Enzymy działają optymalnie w wąskim zakresie temperatur, co ma sens, biorąc pod uwagę, że temperatura ciała nie zmienia się o więcej niż kilka stopni w zwykłych warunkach. Ekstremalne ciepło niszczy wiele enzymów i powoduje, że tracą swój specyficzny trójwymiarowy kształt, proces zwany denaturacją, który ma zastosowanie do wszystkich białek.