Sadržaj
U kemiji, a katalizator tvar je koja ubrzava brzinu reakcije, a da pritom nije potrošena u reakciji. Svaka reakcija koja koristi katalizator naziva se kataliza, Pripazite na ovu razliku kada čitate kemijski materijal; katalizator (množina "katalizatori") je fizička tvar, ali kataliza (množina "katalizatori") je proces.
Pregled svake klase katalizatora korisno je polazište za učenje analitičke kemije i razumijevanje onoga što se događa na molekularnoj razini kada miješate tvari i kada nastane reakcija. Katalizatori i pridružene katalitičke reakcije dolaze u tri glavne vrste: homogeni katalizatori, heterogeni katalizatori i biokatalizatori (obično se nazivaju enzimi). Manje uobičajene, ali još uvijek važne vrste aktivnosti katalizatora uključuju fotokatalizu, ekološku katalizu i zelene katalitičke procese.
Opće karakteristike katalizatora
Većina krutih katalizatora su metali (npr. Platina ili nikal) ili metali blizu metala (npr. Silicij, bor i aluminij) koji su pričvršćeni na elemente poput kisika i sumpora. Katalizatori koji se nalaze u tekućoj ili plinskoj fazi imaju veću vjerojatnost da se sastoje od jednog elementa, mada se mogu kombinirati s otapalima i drugim materijalima, a kruti katalizatori mogu se diseminirati unutar krute ili tekuće matrice poznate kao nosač katalizatora.
Katalizatori ubrzavaju reakcije snižavanjem energija aktivacije E reakcije koja bi se odvijala bez katalizatora, ali daleko sporije. Takve reakcije imaju proizvod ili proizvode s nižom ukupnom energijom od reaktanata ili reaktanata; da nije tako, ove se reakcije ne bi desile bez dodavanja vanjske energije. Ali da bi došli iz više energetskog stanja u stanje niže energije, proizvodi moraju prvo "prijeći preko grba", pri čemu je "grba" E, Katalizatori u osnovi izglađuju izbočine duž reakcijsko-energetske ceste olakšavajući reaktantima da dođu do energetskog „slabljenja“ reakcije jednostavnim spuštanjem visine „vrha brda“.
Kemijski sustavi sadrže primjere pozitivnih i negativnih katalizatora, pri čemu prvi nastoje ubrzati brzinu reakcije i negativne katalizatore koji ih usporavaju. Oboje može biti korisno, ovisno o željenom rezultatu.
Kemija katalizatora
Katalizatori svoj posao obavljaju privremenim vezanjem ili kemijskim modificiranjem jednog od reaktanata i mijenjanjem njegove fizičke konformacije ili trodimenzionalnog oblika na način koji olakšava pretvaranje reaktanata ili reaktanata u jedan od proizvoda. Zamislite da imate psa koji se valjao u blatu i treba ga očistiti prije nego što može ući unutra. Blato bi na kraju s pasa odlazilo samo od sebe, ali ako biste mogli učiniti nešto što bi psa gurnulo u pravcu dvorišne prskalice kako bi se blato brzo raspršilo s njegovog krzna, poslužili biste u stvari kao "katalizator "reakcija prljavog psa na čistog psa".
Najčešće, intermedijarni proizvod koji nije prikazan ni u jednom uobičajenom sažetku reakcije nastaje od reaktanata i katalizatora, a kada se taj kompleks promijeni u jedan ili više konačnih proizvoda, katalizator se regenerira kao da se ništa od toga nije dogodilo to uopće. Kao što ćete uskoro vidjeti, ovaj se postupak može odvijati na više načina.
Homogena kataliza
Razmatra se reakcija homogeno katalizirani kada su katalizator i reaktanti u istom fizičkom stanju ili fazi. To se najčešće događa s parovima reaktorima plinovitih katalizatora. Vrste homogenih katalizatora uključuju organske kiseline u kojima je donirani atom vodika zamijenjen metalom, niz spojeva koji u nekom obliku miješaju ugljične i metalne elemente i karbonilne spojeve spojene s kobaltom ili željezom.
Primjer ove vrste katalize koja uključuje tekućine je pretvorba persulfatnih i jodidnih iona u sulfatne ione i jod:
S2O82- + 2 I- → 2 SO42- + Ja2
Ova reakcija teško bi se odvijala samostalno usprkos povoljnoj energiji, jer su oba reaktanata negativno nabijena i zbog toga su njihove elektrostatičke kvalitete u suprotnosti s njihovim kemijskim svojstvima. Ali ako se smjesi dodaju ioni željeza, koji nose pozitivan naboj, željezo "odvlači" negativne naboje i reakcija brzo napreduje.
Prirodna plinovita homogena kataliza je pretvorba plina s kisikom, ili O2, u atmosferi do ozona, ili O3, gdje su kisikovi radikali (O-) su intermedijari. Ovdje je ultraljubičasto svjetlo od sunca pravi katalizator, ali svaki fizički spoj prisutan je u istom (plinskom) stanju.
Heterogena kataliza
Razmatra se reakcija heterogeno katalizirani kada su katalizator i reaktant (i) u različitim fazama, a reakcija se odvija na granici između njih (najčešće, "granica" plina i krute tvari). Neki od češćih heterogenih katalizatora uključuju neorganske, odnosno one koje ne sadrže ugljik - krute tvari kao što su elementarni metali, sulfidi i metalne soli, kao i neko pomakanje organskih tvari, među kojima su hidroperoksidi i ionski izmjenjivači.
Zeoliti su važna klasa heterogenih katalizatora. Ovo su kristalne krute tvari sastavljene od ponavljajućih jedinica SiO4, Jedinice od četiri pridružene molekule povezane su zajedno kako bi tvorile različite strukture prstena i kaveza. Prisutnost atoma aluminija u kristalu stvara neravnotežu naboja koja se nadoknađuje protonom (tj. Vodikovim ionom).
enzimi
Enzimi su proteini koji djeluju kao katalizatori u živim sustavima. Ti enzimi imaju komponente koje se nazivaju mjesta vezanja supstrata ili aktivna mjesta, gdje se molekule uključene u reakciju pod katalizom vežu. Sastavni dijelovi svih proteina su aminokiseline, a svaka od tih pojedinačnih kiselina ima neravnomjernu raspodjelu naboja s jednog na drugi kraj. Ovo svojstvo je glavni razlog što enzimi posjeduju katalitičku sposobnost.
Aktivno mjesto enzima uklapa se s ispravnim dijelom supstrata (reaktanta), poput ključa koji ulazi u bravu. Imajte na umu da ranije opisani katalizatori često kataliziraju niz različitih reakcija i stoga ne posjeduju stupanj kemijske specifičnosti koji enzimi čine.
Općenito, kada je prisutno više supstrata i više enzima, reakcija će se odvijati brže. Ali ako se doda sve više supstrata bez dodavanja još enzima, sva mjesta vezivanja enzima postaju zasićena, a reakcija je dostigla svoj maksimum za tu koncentraciju enzima. Svaka reakcija katalizirana enzimom može se predstaviti pomoću intermedijara koji nastaju zahvaljujući prisutnosti enzima. To jest, umjesto da piše:
S → P
da biste pokazali da se supstrat pretvara u proizvod, možete to prikazati kao:
E + S → ES → E + P
pri čemu je srednji izraz kompleks enzima-supstrata (ES).
Enzimi, iako su klasificirani kao kategorija katalizatora različita od gore navedenih, mogu biti homogeni ili heterogeni.
Enzimi optimalno funkcioniraju u uskom temperaturnom rasponu, što ima smisla s obzirom na to da vam tjelesna temperatura u uobičajenim uvjetima ne varira za više od nekoliko stupnjeva. Ekstremna toplina uništava mnoge enzime i tjera ih da izgube svoj specifični trodimenzionalni oblik, proces koji se naziva denaturacijom i koji se odnosi na sve proteine.