Erinevat tüüpi katalüsaatorid

Sisu

• Katalüsaatorite üldised omadused
• Katalüsaatori keemia
• Homogeenne katalüüs
• Heterogeenne katalüüs
• Ensüümid

Keemias, a katalüsaator "Aine" on aine, mis kiirendab reaktsiooni kiirust, ilma et reaktsiooni ise kuluks. Mis tahes reaktsiooni, milles kasutatakse katalüsaatorit, nimetatakse katalüüs. Keemiamaterjali lugemisel olge selle eristuse suhtes ettevaatlik; katalüsaator (mitu "katalüsaatorit") on füüsikaline aine, kuid katalüüs (mitmuses "katalüüsib") on protsess.

Ülevaade kõigist katalüsaatoriklassidest on kasulik lähtepunkt analüütilise keemia õppimisel ja mõistmisel, mis juhtub molekulaarsel tasemel ainete segamisel ja reaktsiooni toimumisel. Katalüsaatoreid ja nendega seotud katalüütilisi reaktsioone on kolme tüüpi: homogeensed, heterogeensed ja biokatalüsaatorid (tavaliselt ensüümid). Vähem levinud, kuid siiski olulised katalüsaatori aktiivsuse tüübid hõlmavad fotokatalüüsi, keskkonnakatalüüsi ja rohelisi katalüütilisi protsesse.

Katalüsaatorite üldised omadused

Enamik tahkeid katalüsaatoreid on metallid (nt plaatina või nikkel) või peaaegumetallid (nt räni, boor ja alumiinium), mis on kinnitatud sellistele elementidele nagu hapnik ja väävel. Vedelas või gaasi faasis olevad katalüsaatorid koosnevad tõenäolisemalt ühest elemendist, ehkki neid võib kombineerida lahustite ja muu materjaliga ning tahked katalüsaatorid võivad levida tahkes või vedelas maatriksis, mida nimetatakse katalüsaatori kandjaks.

Katalüsaatorid kiirendavad reaktsioone, langetades aktiveerimise energia E_a reaktsioonist, mis toimuks ilma katalüsaatorita, kuid palju aeglasemalt. Sellistes reaktsioonides on toode või tooted, mille koguenergia on madalam kui reagendil või reagentidel; kui see pole nii, ei toimu need reaktsioonid ilma välise energia lisamiseta. Kuid kõrgemast energiaseisundist madalama energiaseisundini jõudmiseks peavad tooted kõigepealt "saama üle künka", see "kübar" on E_a. Katalüsaatorid tasandavad sisuliselt kondensatsiooni piki reaktsiooni-energia teed, muutes reageerijatel reaktsiooni energia "langusele" jõudmise lihtsamaks, langetades lihtsalt "mäe tippu".

Keemilistes süsteemides on näiteid positiivsete ja negatiivsete katalüsaatorite kohta, kusjuures esimesed kipuvad kiirendama reaktsiooni kiirust ja negatiivsed katalüsaatorid nende aeglustamiseks. Mõlemad võivad olla soodsad, sõltuvalt soovitud konkreetsest tulemusest.

Katalüsaatori keemia

Katalüsaatorid teostavad oma tööd, reageerides ajutiselt ühe reagendiga või muul viisil selle keemiliselt modifitseerides ning muutes selle füüsikalist konformatsiooni või kolmemõõtmelist kuju viisil, mis hõlbustab reagendi või reagentide muundamist üheks tooteks. Kujutage ette, et teil on mudas veerev koer, kes peab enne puhastamist olema puhas. Muda tuleks koeral lõpuks iseenesest maha, kuid kui sa saaksid teha midagi sellist, mis tõstis koera õuepihusti suunas, nii et muda pritsitakse kiiresti tema karusnahast, oleks sa olnud tegelikult katalüsaator. "räpast koerast puhtaks koer" reaktsioon. "

Enamasti moodustatakse reaktiivist ja katalüsaatorist vaheprodukt, mida ei ole üheski reaktsiooni kokkuvõttes näidatud, ja kui see kompleks muudetakse üheks või mitmeks lõppsaaduseks, regenereeritakse katalüsaator nii, nagu poleks midagi sellist kunagi juhtunud. üldse. Nagu varsti näete, võib see protsess toimuda mitmel viisil.

Homogeenne katalüüs

Arvatakse reaktsiooni homogeenselt katalüüsitud kui katalüsaator ja reagent (reagendid) on samas füüsikalises olekus või faasis. Kõige sagedamini juhtub see gaasiliste katalüsaatori-reagendi paaridega. Homogeensete katalüsaatorite tüüpide hulka kuuluvad orgaanilised happed, milles annetatud vesinikuaatom on asendatud metalliga, mitmed ühendid, mis mingil kujul segavad süsinikku ja metallelemente, ning karboniüülühendid, mis on ühendatud koobalti või rauaga.

Seda tüüpi vedelike katalüüsi näide on persulfaadi ja jodiidi ioonide muundamine sulfaatioonideks ja joodideks:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + I₂

Sellel reaktsioonil oleks hoolimata soodsast energeetikast keeruline iseseisvalt kulgeda, sest mõlemad reagendid on negatiivselt laetud ja seetõttu on nende elektrostaatilised omadused vastuolus nende keemiliste omadustega. Kuid kui segule lisatakse positiivse laenguga rauaioone, siis "tõmbab raud" negatiivsed laengud tähelepanu kõrvale ja reaktsioon liigub kiiresti edasi.

Looduslikult esinev gaasiline homogeenne katalüüs on hapniku gaasi ehk O muundamine₂, atmosfääris osooniks või O₃, kus hapnikuradikaalid (O^-) on vaheained. Siin on tõeliseks katalüsaatoriks päikese ultraviolettvalgus, kuid iga esinev füüsikaline ühend on samas (gaasi) olekus.

Heterogeenne katalüüs

Arvatakse reaktsiooni heterogeenselt katalüüsitud kui katalüsaator ja reagent (reagendid) on erinevates faasides, kusjuures reaktsioon toimub nendevahelises liideses (kõige sagedamini gaasilise tahke aine "piiril"). Mõningate tavalisemate heterogeensete katalüsaatorite hulka kuuluvad anorgaanilised - see tähendab süsinikku mittesisaldavad - tahked ained, näiteks elementmetallid, sulfiidid ja metallisoolad, samuti orgaaniliste ainete, sealhulgas hüdroperoksiidide ja ioonvahetite, pragunemine.

Tseoliitid on oluline heterogeensete katalüsaatorite klass. Need on kristalsed tahkised, mis koosnevad korduvatest SiO ühikutest₄. Nendest ühendatud molekulidest nelja ühikud on omavahel ühendatud, moodustades erinevad rõnga- ja puuristruktuurid. Alumiiniumi aatomi olemasolu kristallis loob laengu tasakaalustamatuse, mille korvab prooton (st vesinikuioon).

Ensüümid

Ensüümid on valgud, mis toimivad katalüsaatorina elavates süsteemides. Nendel ensüümidel on komponendid, mida nimetatakse substraadi sidumissaitideks või aktiivseteks saitideks, kus katalüüsi käigus reaktsioonis osalevad molekulid kinnituvad. Kõigi valkude koostisosad on aminohapped ja nende üksikute hapete laengujaotus on ühest otsast ebaühtlane. See omadus on peamine põhjus, miks ensüümidel on katalüütiline võime.

Ensüümi aktiivne koht sobib pigem substraadi õige osaga (reagent) pigem nagu lukku minev võti. Pange tähele, et varem kirjeldatud katalüsaatorid katalüüsivad sageli mitmesuguseid erinevaid reaktsioone ja seetõttu ei oma need ensüümide keemilise spetsiifilisuse astet.

Üldiselt, kui on rohkem substraati ja rohkem ensüümi, toimub reaktsioon kiiremini. Kuid kui üha rohkem substraati lisatakse ka ilma ensüümi lisamata, muutuvad kõik ensümaatilised seondumissaidid küllastunud ja reaktsioon on selle ensüümi kontsentratsiooni jaoks saavutanud maksimaalse kiiruse. Iga ensüümi poolt katalüüsitud reaktsiooni võib esitada ensüümi olemasolu tõttu moodustunud vahesaadustena. See tähendab, et selle asemel, et kirjutada:

S → P

selleks, et näidata substraati, mis muundatakse tooteks, võite seda kirjeldada järgmiselt:

E + S → ES → E + P

kusjuures keskmine termin on ensüümi-substraadi (ES) kompleks.

Ensüümid, ehkki need klassifitseeritakse ülalnimetatutest erinevaks katalüsaatorikategooriaks, võivad olla kas homogeensed või heterogeensed.

Ensüümid toimivad optimaalselt kitsas temperatuurivahemikus, mis on mõistlik, arvestades, et teie kehatemperatuur ei kõigu tavaoludes enam kui mõne kraadi võrra. Äärmuslik kuumus hävitab paljusid ensüüme ja põhjustab nende spetsiifilise kolmemõõtmelise kuju kaotamise - seda protsessi nimetatakse denatureerimiseks, mis kehtib kõigi valkude kohta.