Innehåll
Inom kemi, a katalysator är ett ämne som påskyndar reaktionshastigheten utan att den själv konsumeras i reaktionen. Varje reaktion som använder en katalysator benämns katalys. Var försiktig med denna distinktion när du läser kemi material; en katalysator (plural "katalysatorer") är en fysisk substans, men katalys (plural "katalyserar") är en process.
En översikt över var och en av klasserna av katalysatorer är en bra utgångspunkt för att lära sig analytisk kemi och förstå vad som händer på molekylnivå när man blandar ämnen ihop och en reaktion inträffar. Katalysatorer och deras tillhörande katalytiska reaktioner finns i tre huvudtyper: homogena katalysatorer, heterogena katalysatorer och biokatalysatorer (vanligtvis kallade enzymer). Mindre vanliga men fortfarande viktiga typer av katalysatoraktiviteter inkluderar fotokatalys, miljökatalys och gröna katalytiska processer.
Allmänna egenskaper hos katalysatorer
Majoriteten av de fasta katalysatorerna är metaller (t.ex. platina eller nickel) eller nära metaller (t.ex. kisel, bor och aluminium) bundna till element såsom syre och svavel. Katalysatorer som är i vätske- eller gasfasen är mer benägna att bestå av ett enda element, även om de kan kombineras med lösningsmedel och annat material, och fasta katalysatorer kan spridas i en fast eller flytande matris känd som en katalysatorbärare.
Katalysatorer påskyndar reaktioner genom att sänka aktiverings energi Een av en reaktion som skulle fortsätta utan katalysatorn, men mycket långsammare. Sådana reaktioner har en produkt eller produkter med en lägre totalenergi än den för reaktanten eller reaktanterna; Om detta inte var fallet skulle dessa reaktioner inte inträffa utan tillsats av extern energi. Men för att komma från det högre energitillståndet till det lägre energitillståndet måste produkterna "komma över puckeln" först, att "puckeln" är Een. Katalysatorer utjämnar i huvudsak bulorna längs reaktionsenergi-vägen genom att göra det lättare för reaktanterna att komma till reaktionens energi "nedförsbacke" genom att helt enkelt sänka höjden på "backen."
Kemiska system har exempel på positiva och negativa katalysatorer, varvid de förra tenderar att påskynda reaktionshastigheten och negativa katalysatorer som tjänar till att bromsa dem. Båda kan vara fördelaktiga, beroende på det specifika önskade resultatet.
Katalysatorkemi
Katalysatorer utför sitt arbete genom att tillfälligt binda till eller på annat sätt kemiskt modifiera en av reaktanterna och ändra dess fysiska konformation, eller tredimensionell form, på ett sätt som underlättar för reaktanten eller reaktanterna att omvandlas till en av produkterna. Föreställ dig att ha en hund som har rullat i leran och måste vara ren innan den kan komma in. Leran skulle så småningom komma av hunden av sig själv, men om du kunde göra något som gav hunden i riktning mot gårdssprinkleren så att leran snabbt skulle sprutas från pälsen, skulle du ha fungerat som en "katalysator" "av den smutsiga hunden till ren hunden" reaktion. "
Oftast bildas en mellanprodukt som inte visas i någon vanlig sammanfattning av reaktionen från en reaktant och katalysatorn, och när detta komplex ändras till en eller flera slutprodukter regenereras katalysatorn som om ingenting någonsin har hänt någon av det alls. Som ni kommer att se inom kort kan denna process ske på många olika sätt.
Homogen katalys
En reaktion övervägs homogent katalyserad när katalysatorn och reaktanterna är i samma fysiska tillstånd eller fas. Detta händer oftast med gasformiga katalysatorreaktantpar. Typer av homogena katalysatorer inkluderar organiska syror i vilka den donerade väteatomen ersätts av en metall, ett antal föreningar som blandar kol och metallelement i någon form och karbonylföreningar förenade med kobolt eller järn.
Ett exempel på denna typ av katalys som involverar vätskor är omvandlingen av persulfat- och jodidjoner till sulfatjon och jod:
S2O82- + 2 I- → 2 SO42- + Jag2
Denna reaktion skulle ha en svår tid att fortsätta på egen hand trots den gynnsamma energiken, eftersom båda reaktanterna är negativt laddade och därför är deras elektrostatiska egenskaper i motsats till deras kemiska egenskaper. Men om järnjoner, som har en positiv laddning, läggs till blandningen "distraherar" de negativa laddningarna och reaktionen rör sig snabbt framåt.
En naturligt förekommande gasformig homogen katalys är omvandlingen av syrgas, eller O2, i atmosfären till ozon, eller O3, där syreradikaler (O-) är mellanprodukter. Här är ultraviolett ljus från solen den verkliga katalysatorn, men varje fysisk förening som är närvarande är i samma (gas) tillstånd.
Heterogen katalys
En reaktion övervägs heterogent katalyserad när katalysatorn och reaktanten (erna) befinner sig i olika faser, med reaktionen som sker vid gränssnittet mellan dem (vanligtvis den gasfasta "gränsen"). Några av de vanligare heterogena katalysatorerna inkluderar oorganiska - det vill säga icke-kolinnehållande - fasta ämnen som elementära metaller, sulfider och metalliska salter, samt en smaskning av organiska ämnen, däribland hydroperoxider och jonbytare.
Zeoliter är en viktig klass av heterogena katalysatorer. Dessa är kristallina fasta ämnen som består av upprepande SiO-enheter4. Enheter av fyra av dessa sammanfogade molekyler kopplas samman för att bilda olika ring- och burstrukturer. Närvaron av en aluminiumatom i kristallen skapar en laddningsobalans, som kompenseras av en proton (dvs en vätejon).
enzymer
Enzymer är proteiner som fungerar som katalysatorer i levande system. Dessa enzymer har komponenter som kallas substratbindningsställen, eller aktiva ställen, där molekylerna som är involverade i reaktionen under katalys fastnar. Komponentdelarna i alla proteiner är aminosyror, och var och en av dessa enskilda syror har en ojämn laddningsfördelning från ena änden till den andra. Denna egenskap är det främsta skälet till att enzymer har katalytiska förmågor.
Det aktiva stället på enzymet passar ihop med rätt del av substratet (reaktant) snarare som en nyckel som går in i ett lås. Observera att de tidigare beskrivna katalysatorerna ofta katalyserar en mängd olika reaktioner och därför inte har den grad av kemisk specificitet som enzymer gör.
I allmänhet, när mer substrat och mer av ett enzym finns, fortsätter reaktionen snabbare. Men om allt fler substrat tillsätts utan att tillsätta mer enzym också, blir alla enzymatiska bindningsställen mättade, och reaktionen har nått sin maximala hastighet för den enzymkoncentrationen. Varje reaktion katalyserad av ett enzym kan representeras i termer av de mellanprodukter som bildas på grund av närvaron av enzymet. Det vill säga istället för att skriva:
S → P
för att visa ett substrat som förvandlas till en produkt kan du skildra detta som:
E + S → ES → E + P
varvid mellersta termen är enzymsubstrat (ES) -komplexet.
Enzymer, även om de klassificeras som en kategori av katalysator som skiljer sig från de som anges ovan, kan vara antingen homogena eller heterogena.
Enzymer fungerar optimalt inom ett smalt temperaturområde, vilket är vettigt med tanke på att din kroppstemperatur inte fluktuerar mer än några få grader under vanliga förhållanden. Extrem värme förstör många enzymer och får dem att förlora sin specifika tredimensionella form, en process som kallas denaturering som gäller för alla proteiner.