Περιεχόμενο
Στη χημεία, α καταλύτης είναι μια ουσία που επιταχύνει το ρυθμό μιας αντίδρασης χωρίς να καταναλώνεται η ίδια στην αντίδραση. Οποιαδήποτε αντίδραση που χρησιμοποιεί έναν καταλύτη ονομάζεται κατάλυση. Να είστε προσεκτικοί σχετικά με αυτή τη διάκριση όταν διαβάζετε υλικό χημείας. ένας καταλύτης (πληθυντικός "καταλύτης") είναι μια φυσική ουσία, αλλά η κατάλυση (πολλαπλασιασμός "καταλύει") είναι μια διαδικασία.
Μια επισκόπηση κάθε κατηγορίας καταλυτών είναι ένα χρήσιμο σημείο εκκίνησης για την εκμάθηση της αναλυτικής χημείας και για την κατανόηση του τι συμβαίνει στο μοριακό επίπεδο όταν αναμιγνύετε τις ουσίες μαζί και εμφανίζεται μια αντίδραση. Οι καταλύτες και οι σχετικές καταλυτικές αντιδράσεις τους ανήκουν σε τρεις κύριους τύπους: ομοιογενείς καταλύτες, ετερογενείς καταλύτες και βιοκαταλύτες (που συνήθως ονομάζονται ένζυμα). Λιγότερο κοινά αλλά ακόμη σημαντικά είδη καταλυτικών δραστηριοτήτων είναι η φωτοκατάλυση, η περιβαλλοντική κατάλυση και οι πράσινες καταλυτικές διεργασίες.
Γενικά χαρακτηριστικά των καταλυτών
Η πλειοψηφία των στερεών καταλυτών είναι μέταλλα (π.χ. λευκόχρυσος ή νικέλιο) ή σχεδόν μέταλλα (π.χ., πυρίτιο, βόριο και αργίλιο) προσαρτημένα σε στοιχεία όπως το οξυγόνο και το θείο. Οι καταλύτες που βρίσκονται σε υγρή ή αέρια φάση είναι πιθανότερο να συνίστανται από ένα μόνο στοιχείο, αν και μπορούν να συνδυαστούν με διαλύτες και άλλο υλικό και στερεοί καταλύτες μπορούν να διαδοθούν μέσα σε μια στερεή ή υγρή μήτρα γνωστή ως υποστήριγμα καταλύτη.
Οι καταλύτες επιταχύνουν τις αντιδράσεις μειώνοντας το ενέργεια ενεργοποίησης μιένα μιας αντίδρασης που θα προχωρούσε χωρίς τον καταλύτη, αλλά πολύ πιο αργά. Τέτοιες αντιδράσεις έχουν ένα προϊόν ή προϊόντα με χαμηλότερη συνολική ενέργεια από εκείνη του αντιδραστηρίου ή των αντιδραστηρίων. αν δεν συνέβαινε αυτό, οι αντιδράσεις αυτές δεν θα συνέβαιναν χωρίς την προσθήκη εξωτερικής ενέργειας. Αλλά για να φτάσουμε από την υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση στην κατώτερη ενεργειακή κατάσταση, τα προϊόντα πρέπει πρώτα να «ξεπεράσουν τον καταιγισμό», ότι «η καμπύλη» είναι το Εένα. Οι καταλύτες ουσιαστικά εξομαλύνουν τα χτυπήματα κατά μήκος του δρόμου αντίδρασης-ενέργειας, καθιστώντας ευκολότερο για τα αντιδρώντα να φτάσουν στην ενέργεια "downslope" της αντίδρασης απλά μειώνοντας την ανύψωση του "λόφου".
Τα χημικά συστήματα παρουσιάζουν παραδείγματα θετικών και αρνητικών καταλυτών, με τους πρώτους να τείνουν να επιταχύνουν την ταχύτητα της αντίδρασης και τους αρνητικούς καταλύτες που χρησιμεύουν για την επιβράδυνση τους. Και οι δύο μπορεί να είναι επωφελείς, ανάλογα με το συγκεκριμένο επιθυμητό αποτέλεσμα.
Καταλυτική Χημεία
Οι καταλύτες διεκπεραιώνουν το έργο τους συνδέοντας προσωρινά ή αλλιώς τροποποιώντας χημικά ένα από τα αντιδραστήρια και αλλάζοντας τη φυσική τους διαμόρφωση ή τρισδιάστατο σχήμα, κατά τρόπο που διευκολύνει το μετασχηματισμό του αντιδραστηρίου ή των αντιδραστηρίων σε ένα από τα προϊόντα. Φανταστείτε να έχετε ένα σκυλί που έχει τυλίξει στη λάσπη και πρέπει να είναι καθαρό πριν μπορέσει να έρθει μέσα. Η λάσπη θα βγήκε από το σκυλί μόνη της τελικά, αλλά αν μπορούσατε να κάνετε κάτι που προωθούσε το σκυλί προς την κατεύθυνση του καταιονιστήρα του ναυπηγείου, έτσι ώστε η λάσπη να ψεκάζεται γρήγορα από τη γούνα του, θα είχατε ενεργήσει ως "καταλύτης "της αντίδρασης του βρώμικου σκύλου προς το καθαρό σκύλο".
Πιο συχνά, ένα ενδιάμεσο προϊόν που δεν παρουσιάζεται σε οποιαδήποτε συνηθισμένη περίληψη της αντίδρασης σχηματίζεται από ένα αντιδραστήριο και τον καταλύτη και όταν αυτό το σύμπλοκο μετατραπεί σε ένα ή περισσότερα τελικά προϊόντα, ο καταλύτης αναγεννάται σαν να μην είχε συμβεί τίποτα καθόλου. Όπως θα δούμε σύντομα, αυτή η διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί με διάφορους τρόπους.
Ομογενής κατάλυση
Θεωρείται μια αντίδραση καταλυμένα ομοιογενώς όταν ο καταλύτης και το (τα) αντιδραστήριο (α) είναι στην ίδια φυσική κατάσταση ή φάση. Αυτό συμβαίνει συχνότερα με αέρια ζεύγη καταλυτών-αντιδρώντων. Τύποι ομοιογενών καταλυτών περιλαμβάνουν οργανικά οξέα στα οποία το δωρεμένο άτομο υδρογόνου αντικαθίσταται από ένα μέταλλο, έναν αριθμό ενώσεων που αναμιγνύουν άνθρακα και μεταλλικά στοιχεία σε κάποια μορφή και ενώσεις καρβονυλίου ενωμένες με κοβάλτιο ή σίδηρο.
Ένα παράδειγμα αυτού του τύπου κατάλυσης που περιλαμβάνει υγρά είναι η μετατροπή ιόντων υπερθειικών και ιωδιδίων σε θειικό ιόν και ιώδιο:
μικρό2Ο82- + 2 Ι- → 2 SO42- + Ι2
Αυτή η αντίδραση θα είχε έναν δύσκολο χρόνο να προχωρήσει από μόνος του παρά τις ευνοϊκές ενεργειακές ιδιότητες, διότι και τα δύο αντιδραστήρια είναι αρνητικά φορτισμένα και συνεπώς οι ηλεκτροστατικές τους ιδιότητες είναι σε αντίθεση με τις χημικές τους ιδιότητες. Αλλά αν τα ιόντα σιδήρου, τα οποία φέρουν θετική φόρτιση, προστίθενται στο μείγμα, ο σίδερος «αποσπά την προσοχή» των αρνητικών φορτίων και η αντίδραση κινείται γρήγορα προς τα εμπρός.
Μια φυσικώς απαντώμενη αέρια ομοιογενής κατάλυση είναι η μετατροπή αερίου οξυγόνου ή Ο2, στην ατμόσφαιρα σε όζον, ή Ο3, όπου ρίζες οξυγόνου (Ο-) είναι ενδιάμεσα. Εδώ, το υπεριώδες φως από τον ήλιο είναι ο πραγματικός καταλύτης, αλλά κάθε φυσική ένωση που υπάρχει είναι στην ίδια κατάσταση (φυσικού αερίου).
Ετερογενής κατάλυση
Θεωρείται μια αντίδραση ετερογενώς καταλυόμενη όταν ο καταλύτης και τα αντιδραστήρια βρίσκονται σε διαφορετικές φάσεις, με την αντίδραση να λαμβάνει χώρα στη διεπαφή μεταξύ τους (συνηθέστερα, το σύνορο αερίου-στερεού "). Μερικοί από τους συνηθέστερους ετερογενείς καταλύτες περιλαμβάνουν ανόργανα - δηλαδή στερεά που δεν περιέχουν άνθρακα, όπως στοιχειακά μέταλλα, σουλφίδια και μεταλλικά άλατα, καθώς επίσης και παγίδα οργανικών ουσιών, μεταξύ των οποίων υδροϋπεροξείδια και ιοντοανταλλάκτες.
Οι ζεόλιθοι είναι μια σημαντική κατηγορία ετερογενών καταλυτών. Αυτά είναι κρυσταλλικά στερεά αποτελούμενα από επαναλαμβανόμενες μονάδες SiO4. Μονάδες τεσσάρων από αυτά τα ενωμένα μόρια συνδέονται μαζί για να σχηματίσουν διαφορετικές δομές δακτυλίου και κλωβού. Η παρουσία ενός ατόμου αλουμινίου στον κρύσταλλο δημιουργεί μια ανισορροπία φορτίου, η οποία αντισταθμίζεται από ένα πρωτόνιο (δηλ. Ένα ιόν υδρογόνου).
Ένζυμα
Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες που λειτουργούν ως καταλύτες σε ζώντα συστήματα. Αυτά τα ένζυμα έχουν συστατικά που ονομάζονται θέσεις δέσμευσης υποστρώματος ή ενεργές θέσεις, όπου τα μόρια που εμπλέκονται στην αντίδραση υπό καταλύτη συνδέονται. Τα συστατικά μέρη όλων των πρωτεϊνών είναι αμινοξέα και καθένα από αυτά τα μεμονωμένα οξέα έχει μια ανομοιόμορφη κατανομή φορτίου από το ένα άκρο στο άλλο. Αυτή η ιδιότητα είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο τα ένζυμα διαθέτουν καταλυτικές ικανότητες.
Η ενεργός θέση στο ένζυμο ταιριάζει μαζί με το σωστό μέρος του υποστρώματος (αντιδραστήριο) μάλλον σαν ένα κλειδί που μπαίνει σε μια κλειδαριά. Σημειώστε ότι οι καταλύτες που περιγράφηκαν προηγουμένως συχνά καταλύουν μια σειρά ανόμοιων αντιδράσεων και επομένως δεν διαθέτουν το βαθμό χημικής ειδικότητας που κάνουν τα ένζυμα.
Γενικά, όταν υπάρχει περισσότερο υπόστρωμα και περισσότερο ένζυμο, η αντίδραση θα προχωρήσει πιο γρήγορα. Εάν όμως προστεθεί όλο και περισσότερο υπόστρωμα χωρίς προσθήκη περισσότερου ενζύμου, όλα τα ενζυματικά σημεία πρόσδεσης γίνονται κορεσμένα και η αντίδραση έχει φτάσει στο μέγιστο ρυθμό για αυτή τη συγκέντρωση ενζύμου. Κάθε αντίδραση που καταλύεται από ένα ένζυμο μπορεί να παρασταθεί με όρους των ενδιάμεσων προϊόντων που σχηματίζονται λόγω της παρουσίας του ενζύμου. Δηλαδή, αντί να γράφετε:
S → P
για να δείξετε ότι ένα υπόστρωμα μετατρέπεται σε ένα προϊόν, μπορείτε να το απεικονίσετε ως εξής:
E + S → ES → E + P
όπου ο μεσαίος όρος είναι το σύμπλεγμα ενζύμου-υποστρώματος (ES).
Τα ένζυμα, αν και ταξινομούνται ως καταλύτες διαφορετικές από αυτές που αναφέρονται παραπάνω, μπορούν να είναι είτε ομογενείς είτε ετερογενείς.
Τα ένζυμα λειτουργούν άριστα σε ένα στενό εύρος θερμοκρασίας, το οποίο έχει νόημα δεδομένου ότι η θερμοκρασία του σώματος σας δεν κυμαίνεται περισσότερο από μερικούς βαθμούς σε κανονικές συνθήκες. Η ακραία θερμότητα καταστρέφει πολλά ένζυμα και τους προκαλεί να χάσουν το συγκεκριμένο τρισδιάστατο σχήμα τους, μια διαδικασία που ονομάζεται μετουσίωση που ισχύει για όλες τις πρωτεΐνες.