Innhold
I kjemi, a katalysatoren er et stoff som fremskynder reaksjonshastigheten uten å selv konsumere seg i reaksjonen. Enhver reaksjon som gjør bruk av en katalysator betegnes katalyse. Vær forsiktig med dette skillet når du leser kjemimateriale; en katalysator (flertall "katalysatorer") er et fysisk stoff, men katalyse (flertall "katalyserer") er en prosess.
En oversikt over hver av klassene av katalysatorer er et nyttig utgangspunkt i å lære analytisk kjemi og forstå hva som skjer på molekylært nivå når du blander stoffer sammen og en reaksjon oppstår. Katalysatorer og tilhørende katalytiske reaksjoner kommer i tre hovedtyper: homogene katalysatorer, heterogene katalysatorer og biokatalysatorer (vanligvis kalt enzymer). Mindre vanlige, men fortsatt viktige typer katalysatoraktiviteter inkluderer fotokatalyse, miljøkatalyse og grønne katalytiske prosesser.
Generelle kjennetegn på katalysatorer
De fleste faste katalysatorer er metaller (f.eks. Platina eller nikkel) eller nærmetaller (f.eks. Silisium, bor og aluminium) festet til elementer som oksygen og svovel. Katalysatorer som er i væske- eller gassfasen, er mer sannsynlig å bestå av et enkelt element, selv om de kan kombineres med løsningsmidler og annet materiale, og faste katalysatorer kan spres i en fast eller flytende matrise kjent som katalysatorbærer.
Katalysatorer fremskynder reaksjoner ved å senke aktiveringsenergi Een av en reaksjon som ville fortsette uten katalysatoren, men langt saktere. Slike reaksjoner har et produkt eller produkter med lavere totalenergi enn reaktantens eller reaktantene; hvis dette ikke var tilfelle, ville disse reaksjonene ikke skje uten tilsetning av ekstern energi. Men for å komme fra den høyere energitilstanden til den lavere energitilstanden, må produktene først "komme over pukkelen", den "pukkelen" er Een. Katalysatorer jevner ut bulene langs reaksjonsenergiveien ved å gjøre det enklere for reaktantene å komme til energien "nedturen" av reaksjonen ved ganske enkelt å senke høyden på "bakketoppen."
Kjemiske systemer inneholder eksempler på positive og negative katalysatorer, hvor førstnevnte har en tendens til å akselerere reaksjonshastigheten og negative katalysatorer som tjener til å bremse dem. Begge kan være fordelaktige, avhengig av det spesifikke utfallet du ønsker.
Katalysatorkjemi
Katalysatorer utfører sitt arbeid ved midlertidig å binde seg til eller på annen måte kjemisk modifisere en av reaktantene og endre dens fysiske konformasjon, eller tredimensjonal form, på en måte som gjør det lettere for reaktanten eller reaktantene å bli omdannet til et av produktene. Se for deg å ha en hund som har rullet i gjørmen og trenger å være ren før den kan komme inn. Slammet ville komme av hunden av seg selv etter hvert, men hvis du kunne gjøre noe som støttet hunden i retning hagesprinkleren slik at gjørmen raskt skulle sprøytes ut av pelsen, ville du fungert som en "katalysator" "av den skitne hunden til ren hunden" reaksjon. "
Oftest dannes et mellomprodukt som ikke er vist i noe vanlig sammendrag av reaksjonen fra en reaktant og katalysator, og når dette komplekset blir endret til et eller flere sluttprodukt, regenereres katalysatoren som om ingenting noen gang hadde skjedd med noen av det i det hele tatt. Som du snart vil se, kan denne prosessen foregå på en rekke måter.
Homogen katalyse
En reaksjon blir vurdert homogent katalysert når katalysatoren og reaktanten (e) er i samme fysiske tilstand eller fase. Dette skjer ofte med gassformige katalysator-reaktantpar. Typer homogene katalysatorer inkluderer organiske syrer hvor det donerte hydrogenatom erstattes av et metall, et antall forbindelser som blander karbon og metallelementer i en eller annen form, og karbonylforbindelser som er forbundet med kobolt eller jern.
Et eksempel på denne typen katalyse som involverer væsker er omdannelse av persulfat og jodidioner til sulfation og jod:
S2O82- + 2 jeg- → 2 SO42- + Jeg2
Denne reaksjonen vil ha en vanskelig tid å gå videre på egen hånd til tross for den gunstige energikraften, fordi begge reaktanter er negativt ladet og derfor er deres elektrostatiske egenskaper i motsetning til deres kjemiske egenskaper. Men hvis jernioner, som har en positiv ladning, tilsettes blandingen, "distraherer" de negative ladningene og reaksjonen beveger seg raskt fremover.
En naturlig forekommende gassformig homogen katalyse er omdannelsen av oksygengass, eller O2, i atmosfæren til ozon, eller O3, hvor oksygenradikaler (O-) er mellomprodukter. Her er ultrafiolett lys fra solen den sanne katalysatoren, men alle fysiske forbindelser som er til stede er i samme (gass) tilstand.
Heterogen katalyse
En reaksjon blir vurdert heterogent katalysert når katalysatoren og reaktanten (e) er i forskjellige faser, med reaksjonen som forekommer ved grensesnittet mellom dem (oftest den gass-faste "grensen"). Noen av de mer vanlige heterogene katalysatorene inkluderer uorganiske - det vil si ikke-karbonholdige - faste stoffer som elementalmetaller, sulfider og metalliske salter, samt en smadring av organiske stoffer, blant dem hydroperoksider og ionebyttere.
Zeolitter er en viktig klasse av heterogene katalysatorer. Dette er krystallinske faste stoffer som består av repeterende enheter av SiO4. Enheter på fire av disse sammenføyede molekylene er koblet sammen for å danne forskjellige ring- og burstrukturer. Tilstedeværelsen av et aluminiumatom i krystallen skaper en ladningsubalanse, som oppveies av et proton (dvs. et hydrogenion).
enzymer
Enzymer er proteiner som fungerer som katalysatorer i levende systemer. Disse enzymene har komponenter som kalles substratbindingssteder, eller aktive steder, der molekylene som er involvert i reaksjonen under katalyse blir bundet. Komponentdelene i alle proteiner er aminosyrer, og hver av disse individuelle syrer har en ujevn ladningsfordeling fra den ene enden til den andre. Denne egenskapen er hovedårsaken til at enzymer har katalytiske evner.
Det aktive stedet på enzymet passer sammen med den riktige delen av underlaget (reaktant), snarere som en nøkkel som går i en lås. Legg merke til at katalysatorene beskrevet tidligere ofte katalyserer en rekke forskjellige reaksjoner og derfor ikke har graden av kjemisk spesifisitet som enzymer gjør.
Generelt, når mer substrat og mer av et enzym er til stede, vil reaksjonen fortsette raskere. Men hvis mer og mer underlag tilsettes uten å tilsette mer enzym også, blir alle enzymatiske bindingssider mettede, og reaksjonen har nådd sin maksimale hastighet for den enzymkonsentrasjonen. Hver reaksjon katalysert av et enzym kan representeres i form av mellomproduktene dannet på grunn av tilstedeværelsen av enzymet. Det vil si i stedet for å skrive:
S → P
for å vise et underlag som blir transformert til et produkt, kan du skildre dette som:
E + S → ES → E + P
hvor mellombegrepet er enzymsubstrat (ES) -komplekset.
Selv om enzymer er klassifisert som en katalysatorkategori som er forskjellige fra de som er angitt ovenfor, kan de være homogene eller heterogene.
Enzymer fungerer optimalt innenfor et smalt temperaturområde, noe som er fornuftig gitt at kroppstemperaturen ikke svinger med mer enn noen få grader under vanlige forhold. Ekstrem varme ødelegger mange enzymer og får dem til å miste sin spesifikke tredimensjonale form, en prosess som kalles denaturering som gjelder alle proteiner.