Vsebina
V kemiji a katalizator je snov, ki pospeši hitrost reakcije, ne da bi jo v reakciji zaužili. Vsako reakcijo, ki uporablja katalizator, poimenujemo kataliza. Bodite previdni pri tem razlikovanju, ko berete gradivo iz kemije; katalizator (množica "katalizatorji") je fizikalna snov, vendar je kataliza (množina "katalizatorji") postopek.
Pregled vsakega od razredov katalizatorjev je koristno izhodišče za učenje analitične kemije in razumevanje, kaj se zgodi na molekularni ravni, ko snovi mešate skupaj in pride do reakcije. Katalizatorji in z njimi povezane katalitične reakcije so tri glavne vrste: homogeni katalizatorji, heterogeni katalizatorji in biokatalizatorji (običajno jih imenujemo encimi). Manj pogoste, a še vedno pomembne vrste dejavnosti katalizatorjev vključujejo fotokatalizo, okoljsko katalizo in zelene katalitične procese.
Splošne značilnosti katalizatorjev
Večina trdnih katalizatorjev so kovine (npr. Platina ali nikelj) ali blizu kovine (npr. Silicij, bor in aluminij), pritrjene na elemente, kot so kisik in žveplo. Katalizatorji, ki so v tekoči ali plinski fazi, imajo večjo verjetnost, da so sestavljeni iz enega samega elementa, čeprav se lahko kombinirajo s topili in drugimi materiali, trdni katalizatorji pa se lahko razprostirajo v trdni ali tekoči matriki, znani kot podpora katalizatorja.
Katalizatorji pospešijo reakcije z znižanjem aktivacijska energija Ea reakcije, ki bi potekala brez katalizatorja, vendar veliko počasneje. Takšne reakcije imajo produkt ali izdelke z nižjo skupno energijo kot reaktant ali reaktanti; če to ne bi bilo, te reakcije ne bi prišlo brez dodajanja zunanje energije. Toda da bi prešli iz višjega energijskega v nižje energijsko stanje, morajo proizvodi najprej "preiti grbo", da je "grba" Ea. Katalizatorji v bistvu izravnajo izbokline vzdolž reakcijsko-energijske ceste, tako da olajšajo reaktanti, da pridejo do energijskega "padca" reakcije s preprostim spuščanjem nadmorske višine.
Kemični sistemi prikazujejo primere pozitivnih in negativnih katalizatorjev, pri čemer prvi stremijo k pospeševanju hitrosti reakcije in negativnih katalizatorjev, ki jih upočasnjujejo. Obe sta lahko ugodni, odvisno od želenega rezultata.
Kemija katalizatorja
Katalizatorji svoje delo opravljajo tako, da se začasno povežejo ali kako drugače kemično spremenijo enega od reaktantov in spremenijo njegovo fizično konformacijo ali tridimenzionalno obliko na način, ki olajša pretvorbo reaktantov ali reaktantov v enega od produktov. Predstavljajte si, da imate psa, ki se je valjal v blatu in mora biti čist, preden lahko pride v notranjost. Blato bi sčasoma odplakalo psa, toda če bi lahko naredili nekaj, kar bi psa potisnilo v smeri dvoriščne brizgalke, da bi se blato hitro razpršilo s svojega krzna, bi ti dejansko služil kot "katalizator "reakcija umazanega psa na čisto psa."
Najpogosteje vmesni proizvod, ki ni prikazan v običajnem povzetku reakcije, nastane iz reaktanta in katalizatorja, in ko se ta kompleks spremeni v enega ali več končnih produktov, se katalizator regenerira, kot da se še nikoli ni zgodilo nič od tega sploh. Kot boste kmalu videli, lahko ta postopek poteka na različne načine.
Homogena kataliza
Upošteva se reakcija homogeno katalizirano kadar sta katalizator in reaktant (i) v istem fizičnem stanju ali fazi. Najpogosteje se to zgodi pri parih reaktorjev s plinastimi katalizatorji. Vrste homogenih katalizatorjev vključujejo organske kisline, v katerih je podarjeni atom vodika nadomeščen s kovino, številne spojine, ki v določeni obliki mešajo ogljikove in kovinske elemente, in karbonilne spojine, pridružene kobaltu ali železu.
Primer te vrste katalize, ki vključuje tekočine, je pretvorba ionov persulfata in jodida v sulfatne ione in jod:
S2O82- + 2 I- → 2 SO42- + Jaz2
Ta reakcija bi kljub ugodni energiji težko nadaljevala sama, ker sta oba reaknta negativno nabit, zato sta njuni elektrostatični kvaliteti v nasprotju s kemičnimi lastnostmi. Če pa mešanici dodamo železove ione, ki nosijo pozitiven naboj, železo "odvrne" negativne naboje in reakcija se hitro premakne naprej.
Naravna plinska homogena kataliza je pretvorba kisika ali plina2, v ozračju do ozona ali O3, kjer so kisikovi radikali (O-) so vmesni proizvodi. Tu je ultravijolična svetloba sonca pravi katalizator, vendar je vsaka prisotna fizikalna spojina v enakem (plinskem) stanju.
Heterogena kataliza
Upošteva se reakcija heterogeno kataliziran kadar sta katalizator in reaktant (-i) v različnih fazah, reakcija pa se odvija na vmesniku med njimi (najpogosteje "meja" v plinu). Nekateri pogostejši heterogeni katalizatorji vključujejo anorganske - torej brez ogljika - trdne snovi, kot so elementarne kovine, sulfidi in kovinske soli, kot tudi vonj organskih snovi, med njimi hidroperoksidi in ionski izmenjevalci.
Zeoliti so pomemben razred heterogenih katalizatorjev. To so kristalne trdne snovi, sestavljene iz ponavljajočih se enot SiO4. Enote štirih združenih molekul so povezane, da tvorijo različne strukture obroča in kletke. Prisotnost aluminijevega atoma v kristalu ustvarja neravnovesje naboja, ki ga izravna proton (t.j. vodikov ion).
Encimi
Encimi so beljakovine, ki delujejo kot katalizatorji v živih sistemih. Ti encimi imajo komponente, ki jih imenujemo mesta vezave substrata ali aktivna mesta, kjer se molekule, ki sodelujejo v reakciji v katalizi, vežejo. Sestavni deli vseh beljakovin so aminokisline in vsaka od teh posameznih kislin ima neenakomerno porazdelitev naboja od enega do drugega konca. Ta lastnost je glavni razlog, da imajo encimi katalitsko sposobnost.
Aktivno mesto v encimu se prilega skupaj s pravilnim delom substrata (reaktantom), in sicer kot ključ, ki gre v ključavnico. Upoštevajte, da prej opisani katalizatorji pogosto katalizirajo vrsto različnih reakcij in zato nimajo kemijske specifičnosti, ki jo imajo encimi.
Na splošno, kadar je prisotnih več substrata in več encima, bo reakcija potekala hitreje. Če pa dodamo vse več substrata, ne da bi dodali več encima, postanejo vsa mesta encimskih vezav nasičena in reakcija je dosegla največjo hitrost za to koncentracijo encima. Vsaka reakcija, katalizirana z encimom, je lahko predstavljena v obliki vmesnih produktov, ki nastanejo zaradi prisotnosti encima. To je, namesto da napišete:
S → P
Če želite pokazati, da se substrat transformira v izdelek, lahko to prikažete kot:
E + S → ES → E + P
kjer je srednji izraz kompleks encima-substrata (ES).
Encimi, čeprav so razvrščeni kot kategorija katalizatorja, ki se razlikuje od zgoraj naštetih, so lahko homogeni ali heterogeni.
Encimi optimalno delujejo v ozkem temperaturnem območju, kar je smiselno, saj telesna temperatura v običajnih pogojih ne niha za več kot nekaj stopinj. Ekstremna toplota uniči številne encime in povzroči, da izgubijo svojo specifično tridimenzionalno obliko, postopek, imenovan denaturiranje, ki velja za vse beljakovine.