Indhold
I kemi, a katalysator er et stof, der fremskynder en reaktionshastighed uden selv at blive konsumeret i reaktionen. Enhver reaktion, der gør brug af en katalysator, kaldes katalyse. Vær forsigtig med denne sondring, når du læser kemi materiale; en katalysator (plural "katalysatorer") er et fysisk stof, men katalyse (plural "katalyserer") er en proces.
En oversigt over hver af klasserne af katalysatorer er et nyttigt udgangspunkt i at lære analytisk kemi og forstå, hvad der sker på molekylært niveau, når man blander stoffer sammen, og der opstår en reaktion. Katalysatorer og deres tilknyttede katalytiske reaktioner findes i tre hovedtyper: homogene katalysatorer, heterogene katalysatorer og biokatalysatorer (normalt kaldet enzymer). Mindre almindelige, men stadig vigtige typer katalysatoraktiviteter inkluderer fotokatalyse, miljøkatalyse og grønne katalytiske processer.
Generelle egenskaber ved katalysatorer
Størstedelen af faste katalysatorer er metaller (fx platin eller nikkel) eller næsten metaller (f.eks. Silicium, bor og aluminium) bundet til elementer, såsom oxygen og svovl. Katalysatorer, der er i væske- eller gasfasen, er mere tilbøjelige til at bestå af et enkelt element, skønt de kan kombineres med opløsningsmidler og andet materiale, og faste katalysatorer kan spredes i en fast eller flydende matrix kendt som en katalysatorbærer.
Katalysatorer fremskynder reaktionerne ved at sænke aktiveringsenergi E-en af en reaktion, der ville fortsætte uden katalysator, men langt langsommere. Sådanne reaktioner har et produkt eller produkter med en lavere total energi end reaktantens eller reaktanternes; var dette ikke tilfældet, ville disse reaktioner ikke forekomme uden tilsætning af ekstern energi. Men for at komme fra den højere energitilstand til den lavere energitilstand, skal produkterne "først komme over pukkelen", den "pukkel" er E-en. Katalysatorer udjævner i det væsentlige ujævnhederne langs reaktionsenergi-vejen ved at gøre det lettere for reaktanterne at komme til reaktionens energi "nedhældning" ved blot at sænke højden af "bakketoppen."
Kemiske systemer indeholder eksempler på positive og negative katalysatorer, hvor førstnævnte har en tendens til at fremskynde reaktionshastigheden og negative katalysatorer, der tjener til at bremse dem. Begge kan være fordelagtige, afhængigt af det specifikke ønskede resultat.
Katalysatorkemi
Katalysatorer udfører deres arbejde ved midlertidigt at binde til eller på anden måde kemisk modificere en af reaktanterne og ændre dens fysiske konformation eller tredimensionel form på en måde, der gør det lettere for reaktanten eller reaktanterne at blive omdannet til et af produkterne. Forestil dig at have en hund, der har rullet i mudderet og skal være ren, før den kan komme ind. Mudderet ville i sidste ende komme af hunden af sig selv, men hvis du kunne gøre noget, der fik hunden i retning af gårdssprinkleren, så mudderet hurtigt blev sprøjtet fra sin pels, ville du have fungeret som en "katalysator "af den beskidte hund til ren hund" reaktion. "
Oftest dannes et mellemprodukt, der ikke er vist i nogen almindelig resume af reaktionen, ud fra en reaktant og katalysator, og når dette kompleks ændres til et eller flere slutprodukter, regenereres katalysatoren, som om intet nogensinde var sket med nogen af det overhovedet. Som du snart ser, kan denne proces finde sted på forskellige måder.
Homogen katalyse
En reaktion overvejes homogent katalyseret når katalysatoren og reaktanten / reaktanterne er i samme fysiske tilstand eller fase. Dette sker oftest med gasformige katalysator-reaktantpar. Typer af homogene katalysatorer inkluderer organiske syrer, hvori det donerede hydrogenatom er erstattet af et metal, et antal forbindelser, der blander carbon og metalelementer i en eller anden form, og carbonylforbindelser, der er forbundet med cobalt eller jern.
Et eksempel på denne type katalyse, der involverer væsker, er omdannelsen af persulfat og iodidioner til sulfation og iod:
S2O82- + 2 I- → 2 SO42- + Jeg2
Denne reaktion ville have en vanskelig tid på at gå videre på egen hånd på trods af den gunstige energikraft, fordi begge reaktanter er negativt ladede, og derfor er deres elektrostatiske egenskaber i modsætning til deres kemiske egenskaber. Men hvis jernioner, der bærer en positiv ladning, tilsættes blandingen, "distraherer" jernet de negative ladninger, og reaktionen bevæger sig hurtigt fremad.
En naturligt forekommende gasformig homogen katalyse er omdannelsen af iltgas eller O2, i atmosfæren til ozon, eller O3, hvor iltradikaler (O-) er mellemprodukter. Her er ultraviolet lys fra solen den rigtige katalysator, men enhver fysisk forbindelse, der er til stede, er i samme (gas) tilstand.
Heterogen katalyse
En reaktion overvejes heterogent katalyseret når katalysatoren og reaktanten / reaktanterne er i forskellige faser, hvor reaktionen forekommer ved grænsefladen mellem dem (mest almindeligt, den gas-faste "grænse"). Nogle af de mere almindelige heterogene katalysatorer inkluderer uorganiske - det vil sige ikke-kulstofholdige - faste stoffer som elementalmetaller, sulfider og metalliske salte, samt en smadring af organiske stoffer, blandt andet hydroperoxider og ionbyttere.
Zeolitter er en vigtig klasse af heterogene katalysatorer. Dette er krystallinske faste stoffer, der består af gentagne enheder af SiO4. Enheder på fire af disse sammenføjede molekyler er bundet sammen for at danne forskellige ring- og burstrukturer. Tilstedeværelsen af et aluminiumatom i krystallen skaber en ladningsubalance, der opvejes af en proton (dvs. en hydrogenion).
Enzymer
Enzymer er proteiner, der fungerer som katalysatorer i levende systemer. Disse enzymer har komponenter, der kaldes substratbindingssteder, eller aktive steder, hvor molekylerne involveret i reaktionen under katalyse bliver bundet. Bestanddelene af alle proteiner er aminosyrer, og hver af disse individuelle syrer har en uensartet ladningsfordeling fra den ene ende til den anden. Denne egenskab er hovedårsagen til, at enzymer besidder katalytiske egenskaber.
Det aktive sted på enzymet passer sammen med den rigtige del af underlaget (reaktant) snarere som en nøgle, der går i en lås. Bemærk, at de tidligere beskrevne katalysatorer ofte katalyserer en række forskellige reaktioner og derfor ikke har den grad af kemisk specificitet, som enzymer gør.
Generelt, når mere substrat og mere af et enzym er til stede, vil reaktionen fortsætte hurtigere. Men hvis der tilsættes mere og mere substrat uden at tilsætte mere enzym, bliver alle de enzymatiske bindingssteder mættede, og reaktionen har nået sin maksimale hastighed for den enzymkoncentration. Hver reaktion katalyseret af et enzym kan repræsenteres med hensyn til de dannede mellemprodukter på grund af tilstedeværelsen af enzymet. I stedet for at skrive:
S → P
for at vise et underlag, der omdannes til et produkt, kan du afbilde dette som:
E + S → ES → E + P
hvor mellembegrebet er enzymsubstrat (ES) -komplekset.
Selv om enzymer, selvom de er klassificeret som en katalysatorkategori, der er forskellige fra dem, der er anført ovenfor, kan være homogene eller heterogene.
Enzymer fungerer optimalt inden for et snævert temperaturområde, hvilket giver mening i betragtning af at din kropstemperatur ikke svinger med mere end et par grader under almindelige forhold. Ekstrem varme ødelægger mange enzymer og får dem til at miste deres specifikke tredimensionelle form, en proces kaldet denaturering, der gælder for alle proteiner.