Erityyppiset katalyytit

Sisältö

• Katalyyttien yleiset ominaisuudet
• Katalyyttikemia
• Homogeeninen katalyysi
• Heterogeeninen katalyysi
• entsyymit

Kemiassa, a katalyytti on aine, joka nopeuttaa reaktion nopeutta kuluttamatta itse reaktiota. Kaikista reaktioista, joissa käytetään katalyyttiä, käytetään nimitystä katalyysi. Ole varovainen tämän erottelun suhteen lukeessasi kemian materiaalia; katalyytti (useita "katalyyttejä") on fysikaalinen aine, mutta katalyysi (useita "katalyyttejä") on prosessi.

Katsaus jokaisesta katalyyttiluokasta on hyödyllinen lähtökohta analyyttisen kemian oppimiselle ja ymmärtämiselle, mitä tapahtuu molekyylitasolla, kun sekoitat aineita yhteen ja tapahtuu reaktio. Katalyyttejä ja niihin liittyviä katalyyttisiä reaktioita on kolme päätyyppiä: homogeeniset katalyytit, heterogeeniset katalyytit ja biokatalyytit (joita yleensä kutsutaan entsyymeiksi). Vähemmän yleisiä, mutta silti tärkeitä katalyyttitoiminnan tyyppejä ovat fotokatalyysi, ympäristökatalyysi ja vihreät katalyyttiset prosessit.

Katalyyttien yleiset ominaisuudet

Suurin osa kiinteistä katalyytteistä on metalleja (esim. Platinaa tai nikkeliä) tai lähellä metalleja (esim. Piitä, booria ja alumiinia), jotka on kiinnitetty elementteihin, kuten happea ja rikkiä. Neste- tai kaasufaasissa olevat katalyytit koostuvat todennäköisemmin yhdestä elementistä, vaikka ne voidaan yhdistää liuottimien ja muun materiaalin kanssa, ja kiinteät katalyytit voivat levitä kiinteässä tai nestemäisessä matriisissa, jota kutsutaan katalyyttikantajaksi.

Katalyytit nopeuttavat reaktioita laskemalla aktivointienergia E reaktiosta, joka etenee ilman katalyyttiä, mutta paljon hitaammin. Tällaisissa reaktioissa on tuotetta tai tuotteita, joilla on alhaisempi kokonaisenergia kuin reagenssilla tai reagensseilla; ellei näin ole, näitä reaktioita ei tapahdu ilman ulkoisen energian lisäämistä. Mutta päästäkseen korkeammasta energiatilasta alempaan energiatilaan tuotteiden on "ensin päästävä yli kohouman", että "kohouma" on E. Katalyytit pohjimmiltaan tasoittavat kuoppia reaktionergiatietä pitkin helpottamalla reagenssien pääsyä reaktion energian "alamäkeen" yksinkertaisesti laskemalla "kukkulan yläosaa".

Kemiallisissa järjestelmissä on esimerkkejä positiivisista ja negatiivisista katalyytteistä, jolloin ensim- mäisillä on taipumus kiihdyttää reaktionopeutta, ja negatiivisilla katalyytteillä, jotka auttavat hidastamaan niitä. Molemmat voivat olla edullisia halutusta lopputuloksesta riippuen.

Katalyyttikemia

Katalyytit suorittavat työnsä sitoutumalla väliaikaisesti johonkin reagenssiin tai muulla tavalla kemiallisesti muokkaamalla sitä ja muuttamalla sen fysikaalista rakennetta tai kolmiulotteista muotoa tavalla, joka helpottaa reagenssin tai reagenssien muuntamista yhdeksi tuotteeksi. Kuvittele, että sinulla on koira, joka on rullannut mudassa ja jonka on oltava puhdas ennen kuin se voi tulla sisään. Muta tulee lopulta itsestään pois koiralta, mutta jos pystyisit tekemään jotain, joka pakotti koiran pihan sprinklerin suuntaan niin, että muta suihkutettiin turkistaan ​​nopeasti, olisit toiminut "katalysaattorina" "likaisen koiran puhtaasta koirasta" reaktio. "

Useimmiten välituote, jota ei esitetä missään tavanomaisessa reaktion yhteenvedossa, muodostetaan reagenssista ja katalyytistä, ja kun tämä kompleksi muuttuu yhdeksi tai useammaksi lopputuotteeksi, katalyytti regeneroidaan kuin ikään kuin mikään se ollenkaan. Kuten näette pian, tämä prosessi voi tapahtua monin tavoin.

Homogeeninen katalyysi

Reaktiota harkitaan homogeenisesti katalysoitu kun katalyytti ja reagenssi (reagenssit) ovat samassa fysikaalisessa tilassa tai faasissa. Tämä tapahtuu useimmiten kaasumaisten katalyytti-reagenssiparien kanssa. Homogeenisten katalyyttityyppien joukossa ovat orgaaniset hapot, joissa luovutettu vetyatomi on korvattu metalli, joukko yhdisteitä, jotka sekoittavat hiili- ja metalliosia jossain muodossa, ja karbonyyliyhdisteet, jotka on liittynyt kobolttiin tai rautaan.

Esimerkki tämäntyyppisestä nesteitä sisältävästä katalyysihaasteesta on persulfaatti- ja jodidi-ionien muuttaminen sulfaatti-ioniksi ja jodiksi:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + Minä₂

Tällä reaktiolla olisi vaikea aika edetä yksinään suotuisasta energiasta huolimatta, koska molemmat reagenssit ovat negatiivisesti varautuneita ja siksi niiden sähköstaattiset ominaisuudet ovat niiden kemiallisten ominaisuuksien vastaisia. Mutta jos seokseen lisätään rauta-ioneja, joilla on positiivinen varaus, rauta "häiritsee" negatiiviset varaukset ja reaktio etenee nopeasti.

Luonnossa esiintyvä kaasumainen homogeeninen katalyysi on happikaasun tai O: n konversio₂, ilmakehässä otsoniksi tai O₃, jossa happiradikaalit (O^-) ovat välituotteita. Tässä auringon ultraviolettivalo on todellinen katalyytti, mutta jokainen läsnä oleva fysikaalinen yhdiste on samassa (kaasu) tilassa.

Heterogeeninen katalyysi

Reaktiota harkitaan heterogeenisesti katalysoitu kun katalyytti ja reagenssi (reagenssit) ovat eri vaiheissa, reaktion tapahtuessa niiden välisellä rajapinnalla (yleisimmin kaasu-kiinteä "raja"). Jotkut yleisimmistä heterogeenisistä katalyytteistä sisältävät epäorgaanisia - ts. Hiiliä sisältämättömiä - kiinteitä aineita, kuten alkuainemetalleja, sulfideja ja metallisuoloja, samoin kuin orgaanisten aineiden, esimerkiksi hydroperoksidien ja ioninvaihtimien, säröilyä.

Zeoliitit ovat tärkeä heterogeenisten katalyyttien luokka. Nämä ovat kiteisiä kiinteitä aineita, jotka koostuvat toistuvista SiO-yksiköistä₄. Näistä liittyneistä molekyyleistä neljä yksikköä on kytketty toisiinsa muodostaen erilaisia ​​rengas- ja häkkirakenteita. Alumiiniatomin läsnäolo kiteessä aiheuttaa varauksen epätasapainon, jonka tasapainottaa protoni (ts. Vetyioni).

entsyymit

Entsyymit ovat proteiineja, jotka toimivat katalysaattoreina elävissä järjestelmissä. Näillä entsyymeillä on komponentteja, joita kutsutaan substraatin sitoutumiskohdiksi tai aktiivisiksi kohteiksi, joissa katalyysi-reaktiossa mukana olevat molekyylit kiinnittyvät. Kaikkien proteiinien komponentit ovat aminohappoja, ja jokaisella näistä yksittäisistä hapoista on epätasainen varajakauma toisesta päästään toiseen. Tämä ominaisuus on tärkein syy entsyymeillä, joilla on katalyyttisiä ominaisuuksia.

Entsyymin aktiivinen kohta sopii yhdessä substraatin oikean osan (reagenssin) kanssa pikemminkin kuin lukkoon menevä avain. Huomaa, että aikaisemmin kuvatut katalyytit katalysoivat usein joukko erilaisia ​​reaktioita, ja siksi niillä ei ole entsyymien kemiallisen spesifisyyden astetta.

Yleensä, kun läsnä on enemmän substraattia ja enemmän entsyymiä, reaktio etenee nopeammin. Mutta jos lisää ja enemmän substraattia lisätään lisäämättä myös entsyymiä, niin kaikki entsymaattiset sitoutumiskohdat kyllästyvät ja reaktio on saavuttanut maksimimäärän entsyymipitoisuudeksi. Jokainen entsyymin katalysoima reaktio voidaan esittää välituotteina, jotka muodostuvat entsyymin läsnäolon takia. Eli kirjoittamisen sijasta:

S → P

Jos haluat näyttää substraatin, joka muuttuu tuotteeksi, voit kuvata sitä seuraavasti:

E + S → ES → E + P

jolloin keskitermi on entsyymi-substraatti (ES) kompleksi.

Entsyymit, vaikka ne luokitellaankin katalyyttiluokkaan, joka eroaa yllä luetelluista, voivat olla joko homogeenisia tai heterogeenisiä.

Entsyymit toimivat optimaalisesti kapealla lämpötila-alueella, mikä on järkevää, kun otetaan huomioon, että kehon lämpötila ei vaihtele yli muutaman asteen tavanomaisissa olosuhteissa. Äärimmäinen lämpö tuhoaa monia entsyymejä ja saa ne menettämään spesifisen kolmiulotteisen muodon, denaturointiprosessia, jota sovelletaan kaikkiin proteiineihin.