Obsah
V chémii a katalyzátor je látka, ktorá zrýchľuje rýchlosť reakcie bez toho, aby sa sama pri reakcii spotrebovala. Akákoľvek reakcia, ktorá využíva katalyzátor, sa nazýva katalýza, Pri čítaní chemického materiálu buďte opatrní pri tomto rozlíšení; katalyzátor (množné číslo "katalyzátory") je fyzikálna látka, ale katalýza (množné číslo "katalyzátory") je proces.
Prehľad každej z tried katalyzátorov je užitočným východiskovým bodom pri učení analytickej chémie a porozumení tomu, čo sa deje na molekulárnej úrovni, keď zmiešate látky spolu a dôjde k reakcii. Katalyzátory a súvisiace katalytické reakcie prichádzajú do troch hlavných typov: homogénne katalyzátory, heterogénne katalyzátory a biokatalyzátory (zvyčajne nazývané enzýmy). Medzi menej obvyklé, ale stále dôležité typy katalyzátorových aktivít patrí fotokatalýza, environmentálna katalýza a zelené katalytické procesy.
Všeobecné vlastnosti katalyzátorov
Väčšina pevných katalyzátorov sú kovy (napr. Platina alebo nikel) alebo takmer kovy (napr. Kremík, bór a hliník) pripojené k prvkom, ako je kyslík a síra. Katalyzátory, ktoré sú v kvapalnej alebo plynnej fáze, sa s väčšou pravdepodobnosťou skladajú z jediného prvku, aj keď sa môžu kombinovať s rozpúšťadlami a inými materiálmi a pevné katalyzátory sa môžu distribuovať v tuhej alebo kvapalnej matrici známej ako katalyzátorový nosič.
Katalyzátory urýchľujú reakcie znížením aktivačná energia E reakcie, ktorá by pokračovala bez katalyzátora, ale oveľa pomalšie. Takéto reakcie majú produkt alebo produkty s nižšou celkovou energiou ako energia reaktantu alebo reaktantov; v opačnom prípade by k týmto reakciám nedošlo bez pridania vonkajšej energie. Ale na to, aby sme sa dostali z vyššieho energetického stavu do nižšieho energetického stavu, musia výrobky najprv „prekonať hrboľ“, pričom „hrboľ“ je E, Katalyzátory v podstate vyhladzujú hrbole pozdĺž cesty reakcia-energia tým, že uľahčujú reaktantom dostať sa k energetickému „poklesu“ reakcie jednoduchým znížením výšky „kopca“.
Chemické systémy obsahujú príklady pozitívnych a negatívnych katalyzátorov, pričom prvé z nich majú tendenciu zrýchľovať rýchlosť reakcie a negatívne katalyzátory slúžia na ich spomalenie. Obidve môžu byť výhodné v závislosti od požadovaného konkrétneho výsledku.
Katalyzátorová chémia
Katalyzátory vykonávajú svoju prácu dočasným naviazaním alebo iným chemickým modifikovaním jedného z reaktantov a zmenou jeho fyzikálnej konformácie alebo trojrozmerného tvaru takým spôsobom, ktorý uľahčuje transformáciu reaktantu alebo reaktantov do jedného z produktov. Predstavte si, že máte psa, ktorý sa valil v bahne a pred tým, ako sa dostane dovnútra, musí byť čistý. Bahno by nakoniec zo psa nakoniec samo od seba odstúpilo, ale ak by ste mohli urobiť niečo, čo by psa posunulo smerom k zavlažovaciemu dvoru tak, aby sa blato rýchlo striekalo z jeho kožušiny, v skutočnosti by ste slúžili ako „katalyzátor“ „reakcia špinavého psa na čistého psa“.
Medziprodukt, ktorý nie je uvedený v žiadnom bežnom súhrne reakcie, je najčastejšie tvorený reakčným činidlom a katalyzátorom, a keď sa tento komplex zmení na jeden alebo viac konečných produktov, katalyzátor sa regeneruje tak, akoby sa k ničomu z týchto produktov nikdy nestalo vôbec. Ako budete čoskoro vidieť, tento proces sa môže uskutočniť rôznymi spôsobmi.
Homogénna katalýza
Uvažuje sa o reakcii homogénne katalyzovaná keď katalyzátor a reaktant (reaktanty) sú v rovnakom fyzikálnom stave alebo fáze. Najčastejšie sa to deje s pármi plynných katalyzátorov a reaktantov. Typy homogénnych katalyzátorov zahŕňajú organické kyseliny, v ktorých je darovaný atóm vodíka nahradený kovom, množstvo zlúčenín zmiešajúcich uhlík a kovové prvky v nejakej forme a karbonylové zlúčeniny spojené s kobaltom alebo železom.
Príkladom tohto typu katalýzy zahŕňajúcej kvapaliny je konverzia persíranových a jodidových iónov na síranový ión a jód:
S2O82- + 2 I- → 2 SO42- + I2
Táto reakcia by aj napriek priaznivej energii mala ťažký čas, pretože obidve reaktanty sú negatívne nabité, a preto sú ich elektrostatické vlastnosti v protiklade s ich chemickými vlastnosťami. Ak sa však do zmesi pridajú ióny železa, ktoré nesú kladný náboj, železo „rozptyľuje“ záporné náboje a reakcia rýchlo napreduje.
Prirodzenou plynnou homogénnou katalýzou je premena kyslíka alebo kyslíka2, v atmosfére na ozón alebo O3, kde kyslíkové radikály (O-) sú medziprodukty. Tu je ultrafialové svetlo zo slnka skutočným katalyzátorom, ale každá prítomná fyzikálna zlúčenina je v rovnakom (plynnom) stave.
Heterogénna katalýza
Uvažuje sa o reakcii heterogénne katalyzovaná ak sú katalyzátor a reaktant (reaktanty) v rôznych fázach, k reakcii dochádza na rozhraní medzi nimi (najčastejšie „hranica“ plyn-tuhá látka). Medzi najbežnejšie heterogénne katalyzátory patria anorganické látky, to znamená neobsahujúce uhlík, pevné látky, ako sú elementárne kovy, sulfidy a kovové soli, ako aj rozdrvenie organických látok, medzi ktoré patria hydroperoxidy a iónomeniče.
Zeolity sú dôležitou triedou heterogénnych katalyzátorov. Sú to kryštalické pevné látky tvorené opakujúcimi sa jednotkami SiO4, Jednotky štyroch z týchto spojených molekúl sú navzájom spojené, aby vytvorili rôzne štruktúry kruhu a klietky. Prítomnosť atómu hliníka v kryštáli vytvára nerovnováhu náboja, ktorá je kompenzovaná protónom (t.j. vodíkovým iónom).
enzýmy
Enzýmy sú proteíny, ktoré fungujú ako katalyzátory v živých systémoch. Tieto enzýmy majú zložky nazývané väzbové miesta pre substrát alebo aktívne miesta, kde sa molekuly, ktoré sa zúčastňujú reakcie pri katalýze, pripájajú. Komponenty všetkých proteínov sú aminokyseliny a každá z týchto jednotlivých kyselín má nerovnomernú distribúciu náboja z jedného konca na druhý. Táto vlastnosť je hlavným dôvodom toho, že enzýmy majú katalytické schopnosti.
Aktívne miesto na enzýme zapadá spolu so správnou časťou substrátu (reaktantu) skôr ako kľúč vstupujúci do zámku. Všimnite si, že katalyzátory opísané skôr často katalyzujú celý rad rôznych reakcií, a preto nemajú stupeň chemickej špecifickosti, ktorú pôsobia enzýmy.
Všeobecne, keď je prítomných viac substrátu a viac enzýmu, reakcia bude prebiehať rýchlejšie. Ak sa však pridá viac a viac substrátu bez pridania ďalšieho enzýmu, všetky enzymatické väzbové miesta sa nasýtia a reakcia dosiahla maximálnu rýchlosť pre túto koncentráciu enzýmu. Každá reakcia katalyzovaná enzýmom môže byť zastúpená z hľadiska medziproduktov vytvorených v dôsledku prítomnosti enzýmu. To znamená, že namiesto písania:
S → P
ak chcete ukázať, že sa substrát transformuje na produkt, môžete to znázorniť takto:
E + S → ES → E + P
pričom stredným termínom je komplex enzým-substrát (ES).
Enzýmy, hoci sú klasifikované ako kategória katalyzátora odlišná od vyššie uvedených, môžu byť homogénne alebo heterogénne.
Enzýmy fungujú optimálne v úzkom teplotnom rozmedzí, čo dáva zmysel vzhľadom na to, že teplota vášho tela za bežných podmienok neklesá o viac ako niekoľko stupňov. Extrémne teplo ničí veľa enzýmov a spôsobuje, že strácajú svoj špecifický trojrozmerný tvar, proces nazývaný denaturácia, ktorý sa vzťahuje na všetky proteíny.