Садржај
У хемији, а катализатор је супстанца која убрзава брзину реакције без да је сам потроши у реакцији. Свака реакција која користи катализатор назива се катализа. Будите пажљиви око ове разлике када читате хемијски материјал; катализатор (множина "катализатори") је физичка супстанца, али катализа (множина "катализатори") је процес.
Преглед сваке класе катализатора је корисно полазиште за учење аналитичке хемије и разумевање шта се дешава на молекуларном нивоу када помешате супстанце заједно и када дође до реакције. Катализатори и придружене каталитичке реакције долазе у три главне врсте: хомогени катализатори, хетерогени катализатори и биокатализатори (обично се називају ензими). Мање уобичајене, али ипак важне врсте активности катализатора укључују фотокатализу, еколошку катализу и зелене каталитичке процесе.
Опште карактеристике катализатора
Већина чврстих катализатора су метали (нпр. Платина или никл) или метали близу метала (нпр. Силицијум, бор и алуминијум) везани за елементе као што су кисеоник и сумпор. Катализатори који се налазе у течној или гасној фази имају већу вероватноћу да се састоје од једног елемента, мада се могу комбиновати са растварачима и другим материјалом, а чврсти катализатори могу да се шире у чврстом или течном матриксу познатом као носач катализатора.
Катализатори убрзавају реакције снижавањем енергија активације Еа реакције која би се одвијала без катализатора, али далеко спорије. Такве реакције имају производ или производе са нижом укупном енергијом од реактаната или реактаната; да није тако, ове реакције се не би десиле без додавања спољне енергије. Али да би прешли из стања више енергије у ниже енергетско стање, производи морају прво „прећи преко грба“, при чему је „грба“ Еа. Катализатори у основи изглађују избочине дуж реакционо-енергетског пута олакшавајући реактантима да дођу до енергетског „пада“ реакције једноставним спуштањем елевације „врха брда“.
У хемијским системима налазе се примери позитивних и негативних катализатора, при чему први настоје да убрзају брзину реакције и негативне катализаторе који им служе да успоравају. Обе могу бити повољне, зависно од жељеног исхода.
Цаталист Цхемистри
Катализатори свој посао обављају привременим везивањем или хемијским модификовањем једног од реактаната и променом његове физичке конформације или тродимензионалног облика на начин који олакшава трансформисање реактаната или реактаната у један од производа. Замислите да имате пса који се ваљао у блату и треба га очистити прије него што може ући унутра. Блато би на крају сишло са паса, али ако бисте могли учинити нешто што би пса одгурнуло у правцу дворишне прскалице како би се блато брзо распршило с његовог крзна, ви бисте служили као "катализатор" "реакција прљавог пса на чистог пса".
Најчешће, интермедијарни производ који није приказан у редовном резимеу реакције формира се од реактаната и катализатора, а када се овај комплекс промени у један или више коначних производа, катализатор се регенерише као да се никоме ништа није догодило уопште. Као што ћете ускоро видети, овај процес се може одвијати на више начина.
Хомогена катализа
Разматра се реакција хомогенизирани када су катализатор и реактанти у истом физичком стању или фази. То се најчешће дешава са паровима са гасовитим катализатором и реактантима. Типови хомогених катализатора укључују органске киселине у којима је донирани атом водоника замењен металом, бројна једињења која у неком облику мешају угљенике и металне елементе и карбонилна једињења спојена са кобалтом или гвожђем.
Пример ове врсте катализе која укључује течности је конверзија јона персулфата и јодида у сулфатни јод и јод:
С2О82- + 2 И- → 2 СО42- + Ја2
Ова реакција би имала потешкоће да се сама одвија упркос повољној енергији, јер су оба реактаната негативно наелектрисана и самим тим су њихова електростатичка својства супротна њиховим хемијским својствима. Али ако се смеши додају иони гвожђа, који носе позитиван набој, гвожђе „одвлачи“ негативне набоје и реакција брзо напредује.
Природна хомогена катализа у гасу је конверзија гасова са кисеоником, или О2, у атмосфери до озона, или О3, где остају кисеонички радикали (О-) су интермедијари. Овде је ултраљубичасто светло са сунца прави катализатор, али свако физикално једињење присутно је у истом (гасном) стању.
Хетерогена катализа
Разматра се реакција хетерогено катализовани када су катализатор и реактанти у различитим фазама, а реакција се одвија на интерфејсу између њих (најчешће, "граница" гас-чврста супстанца). Неки од чешћих хетерогених катализатора укључују неорганске, односно оне које не садрже угљеник, чврсте материје, као што су елементарни метали, сулфиди и металне соли, као и мало органских материја, међу којима су хидропероксиди и јонски измењивачи.
Зеолити су важна класа хетерогених катализатора. Ово су кристалне чврсте супстанце састављене од понављајућих јединица СиО4. Јединице од четири придружена молекула повезане су заједно да би формирале различите структуре прстена и кавеза. Присутност атома алуминијума у кристалу ствара неравнотежу набоја која се надокнађује протоном (тј. Водоничним јоном).
Ензими
Ензими су протеини који делују као катализатори у живим системима. Ови ензими имају компоненте које се називају места везивања супстрата или активна места, где се молекули који учествују у реакцији под катализом вежу. Саставни делови свих протеина су аминокиселине, а свака од ових појединачних киселина има неравномерну расподелу набоја са једног на други крај. Ово својство је главни разлог зашто ензими поседују каталитичку способност.
Активно место ензима уклапа се с исправним делом супстрата (реактанта), а не као кључ који улази у браву. Имајте на уму да раније описани катализатори често катализују низ различитих реакција и стога немају степен хемијске специфичности коју ензими чине.
Уопштено, када је присутно више супстрата и више ензима, реакција ће се одвијати брже. Али ако се дода све више супстрата без додавања још ензима, сва места ензимског везивања постају засићена, а реакција је достигла свој максимални степен за ту концентрацију ензима. Свака реакција коју катализује ензим може бити представљена помоћу интермедијарних производа који настају услед присуства ензима. То је, уместо да пише:
С → П
да бисте показали да се супстрат трансформише у производ, можете то приказати као:
Е + С → ЕС → Е + П
при чему је средњи термин комплекс ензима-супстрата (ЕС).
Ензими, иако су класификовани као категорија катализатора различита од горе наведених, могу бити или хомогени или хетерогени.
Ензими оптимално функционишу у уском температурном опсегу, што има смисла имајући у виду да вам телесна температура у нормалним условима не варира за више од неколико степени. Екстремна топлота уништава многе ензиме и узрокује да изгубе свој специфични тродимензионални облик, процес који се назива денатурацијом и који се односи на све протеине.