Diferite tipuri de catalizatori

Conţinut

• Caracteristicile generale ale catalizatorilor
• Catalizator chimie
• Cataliză omogenă
• Cataliză heterogenă
• enzimele

În chimie, a catalizator este o substanță care accelerează viteza unei reacții fără ca ea însăși să fie consumată în reacție. Orice reacție care folosește un catalizator este denumită cataliză. Fii atent la această distincție când citești materialul chimic; un catalizator (plural "catalizatori") este o substanță fizică, dar cataliza (pluralul "catalizează") este un proces.

O imagine de ansamblu a fiecăreia dintre clasele de catalizatori este un punct de plecare util în învățarea chimiei analitice și înțelegerea a ceea ce se întâmplă la nivel molecular atunci când amestecați substanțele și apare o reacție. Catalizatorii și reacțiile lor catalitice asociate vin în trei tipuri principale: catalizatori omogeni, catalizatori eterogeni și biocatalizatori (de obicei numiți enzime). Tipuri mai puțin frecvente, dar încă importante de activități ale catalizatorului includ fotocataliza, cataliza de mediu și procesele catalitice verzi.

Caracteristicile generale ale catalizatorilor

Majoritatea catalizatorilor solizi sunt metale (de exemplu, platină sau nichel) sau metale apropiate (de exemplu, siliciu, bor și aluminiu) atașate la elemente precum oxigen și sulf. Catalizatorii care sunt în faza lichidă sau gazoasă sunt mai susceptibili să fie constituiți dintr-un singur element, deși pot fi combinați cu solvenți și alt material, iar catalizatorii solizi pot fi diseminați într-o matrice solidă sau lichidă cunoscută drept suport catalizator.

Catalizatorii accelerează reacțiile scăzând energie activatoare E_A a unei reacții care s-ar desfășura fără catalizator, dar mult mai lent. Astfel de reacții au un produs sau produse cu o energie totală mai mică decât cea a reactantului sau a reactanților; dacă nu era cazul, aceste reacții nu ar apărea fără adăugarea de energie externă. Dar pentru a trece de la starea de energie mai mare la cea energetică mai mică, produsele trebuie „să treacă peste cocoașă”, acea „cocoașă” fiind E_A. Catalizatorii, în esență, netezesc denivelările de-a lungul drumului de reacție-energie, făcând mai ușor pentru reactanți să ajungă la „coborârea” energetică a reacției prin simpla scădere a înălțimii „dealului”.

Sistemele chimice prezintă exemple de catalizatori pozitivi și negativi, primii având tendința de a accelera rata de reacție și catalizatorii negativi care servesc la încetinirea lor. Ambele pot fi avantajoase, în funcție de rezultatul dorit.

Catalizator chimie

Catalizatorii își desfășoară activitatea prin lipirea temporară sau modificarea chimică a unuia dintre reactanți și schimbarea conformației sale fizice sau a formei tridimensionale, într-un mod care facilitează transformarea reactantului sau a reactanților într-unul dintre produse. Imaginați-vă că aveți un câine care s-a rostogolit în noroi și trebuie să fie curat înainte de a putea intra înăuntru. Noroiul s-ar desprinde de câine în cele din urmă, dar dacă ai putea face ceva care să încâlcească câinele în direcția stropitorului de curte, astfel încât noroiul să fie pulverizat din blană, ai fi servit ca un „catalizator”. „reacția” câinelui murdar la cel curat.

Cel mai adesea, un produs intermediar care nu este prezentat în niciun rezumat obișnuit al reacției este format dintr-un reactant și catalizator, iar atunci când acest complex este schimbat într-unul sau mai multe produse finale, catalizatorul este regenerat ca și cum nu s-ar fi întâmplat nimic cu vreunul dintre la toate. După cum veți vedea în scurt timp, acest proces poate avea loc într-o varietate de moduri.

Cataliză omogenă

Se consideră o reacție catalizat omogen când catalizatorul și reactantul (reacțiile) sunt în aceeași stare sau fază fizică. Acest lucru se întâmplă cel mai adesea cu perechi gazoase de catalizatori-reactanți. Tipurile de catalizatori omogeni includ acizi organici în care atomul de hidrogen donat este înlocuit cu un metal, un număr de compuși care amestecă carbon și elemente metalice într-o formă și compuși carbonilici uniți cu cobalt sau fier.

Un exemplu de acest tip de cataliză care implică lichide este conversia ionilor de persulfat și iodură în ion sulfat și iod:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + Eu₂

Această reacție ar fi dificil să se desfășoare singur, în ciuda energiei favorabile, deoarece ambii reactanți sunt încărcați negativ și, prin urmare, calitățile electrostatice sunt în opoziție cu calitățile lor chimice. Dar dacă în amestec se adaugă ioni de fier, care au o sarcină pozitivă, fierul „distrage” încărcările negative și reacția avansează rapid.

O cataliză omogenă gazoasă care se produce în mod natural este conversia gazului de oxigen sau O₂, în atmosferă până la ozon, sau O₃, unde radicalii de oxigen (O^-) sunt intermediari. Aici, lumina ultravioletă de la soare este adevăratul catalizator, dar fiecare compus fizic prezent este în aceeași stare (gaz).

Cataliză heterogenă

Se consideră o reacție catalizat eterogen când catalizatorul și reactantul (reacțiile) se află în diferite faze, reacția având loc la interfața dintre ei (cel mai frecvent, „granița” solid-gaz). Unii dintre catalizatorii eterogeni mai obișnuiți includ substanțe anorganice - adică, care nu conțin carbon - cum ar fi metale elementare, sulfuri și săruri metalice, precum și o smulgere a substanțelor organice, printre care hidroperoxizi și schimbătoare de ioni.

Zeoliții sunt o clasă importantă de catalizatori eterogeni. Acestea sunt solide cristaline formate din unități repetate de SiO₄. Unitățile din patru dintre aceste molecule unite sunt legate între ele pentru a forma structuri diferite de inel și cușcă. Prezența unui atom de aluminiu în cristal creează un dezechilibru de încărcare, care este compensat de un proton (adică un ion de hidrogen).

enzimele

Enzimele sunt proteine ​​care funcționează ca catalizatori în sistemele vii. Aceste enzime au componente numite site-uri de legare a substratului sau situsuri active, unde moleculele implicate în reacția sub cataliză sunt atașate. Părțile componente ale tuturor proteinelor sunt aminoacizi și fiecare dintre acești acizi individuali are o distribuție inegală a sarcinii de la un capăt la celălalt. Această proprietate este principalul motiv pentru care enzimele posedă capacități catalitice.

Locul activ al enzimei se potrivește cu partea corectă a substratului (reactant), mai degrabă ca o cheie care intră într-o încuietoare. Rețineți că catalizatorii descriși anterior catalizează adesea o serie de reacții diferite și, prin urmare, nu posedă gradul de specificitate chimică pe care îl fac enzimele.

În general, când sunt prezenți mai mult substrat și mai multă enzimă, reacția se va desfășura mai repede. Dar dacă se adaugă tot mai mult substrat fără a adăuga și mai multă enzimă, toate situsurile de legare enzimatică saturați, iar reacția a atins rata maximă pentru concentrația enzimatică. Fiecare reacție catalizată de o enzimă poate fi reprezentată în termenii produselor intermediare formate datorită prezenței enzimei. Adică în loc să scrii:

S → P

pentru a arăta un substrat transformat într-un produs, puteți descrie acest lucru ca:

E + S → ES → E + P

în care termenul mediu este complexul enzimă-substrat (ES).

Enzimele, deși clasificate ca categorii de catalizatoare distincte de cele enumerate mai sus, pot fi fie omogene, fie heterogene.

Enzimele funcționează optim într-un interval de temperatură restrâns, ceea ce are sens, având în vedere că temperatura corpului tău nu fluctuează cu mai mult de câteva grade în condiții obișnuite. Căldura extremă distruge multe enzime și le determină să-și piardă forma specifică tridimensională, un proces numit denaturare care se aplică tuturor proteinelor.