В химии катализатор - это вещество, которое ускоряет скорость реакции, не расходуя себя в реакции. Любая реакция, в которой используется катализатор, называется катализом. Будьте осторожны с этим различием при чтении химического материала; катализатор (множественное число «катализаторы») представляет собой физическое вещество, но катализ (множественное число «катализаторы») представляет собой процесс.

Обзор каждого из классов катализаторов является полезной отправной точкой в ​​изучении аналитической химии и понимании того, что происходит на молекулярном уровне, когда вы смешиваете вещества вместе и происходит реакция. Катализаторы и связанные с ними каталитические реакции бывают трех основных типов: гомогенные катализаторы, гетерогенные катализаторы и биокатализаторы (обычно называемые ферментами). Менее распространенные, но все еще важные типы каталитической активности включают фотокатализ, экологический катализ и экологические каталитические процессы.

Общая характеристика катализаторов

Большинство твердых катализаторов представляют собой металлы (например, платина или никель) или почти металлы (например, кремний, бор и алюминий), связанные с такими элементами, как кислород и сера. Катализаторы, которые находятся в жидкой или газовой фазе, с большей вероятностью состоят из одного элемента, хотя они могут быть объединены с растворителями и другим материалом, и твердые катализаторы могут быть распределены в твердой или жидкой матрице, известной как носитель катализатора.

Катализаторы ускоряют реакции, снижая энергию активации Ea реакции, которая протекает без катализатора, но гораздо медленнее. Такие реакции имеют продукт или продукты с более низкой общей энергией, чем у реагента или реагентов; Если бы это было не так, эти реакции не происходили бы без добавления внешней энергии. Но чтобы перейти из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией, продукты должны сначала «преодолеть горб», причем этот «горб» является Ea. По сути, катализаторы сглаживают неровности вдоль дороги с энергией реакции, облегчая реагентам переход в энергетический «спад» реакции, просто понижая высоту «вершины холма».

Химические системы содержат примеры положительных и отрицательных катализаторов, причем первые имеют тенденцию ускорять скорость реакции, а отрицательные катализаторы служат для их замедления. Оба могут быть выгодными, в зависимости от конкретного желаемого результата.

Катализатор

Катализаторы выполняют свою работу, временно связывая или иным образом химически модифицируя один из реагентов и изменяя его физическую конформацию или трехмерную форму таким образом, чтобы облегчить превращение реагента или реагентов в один из продуктов. Представьте себе собаку, которая покатилась в грязи и должна быть чистой, прежде чем она сможет войти внутрь. В конце концов, грязь сошла бы сама с собаки, но если бы вы могли сделать что-то, что подтолкнуло собаку в направлении разбрызгивателя во дворе, чтобы грязь быстро распылилась с ее меха, вы бы по сути служили «катализатором». "реакции грязной собаки на чистую собаку".

Чаще всего промежуточный продукт, не показанный ни в одном обычном описании реакции, образуется из реагента и катализатора, и когда этот комплекс превращается в один или несколько конечных продуктов, катализатор регенерируется так, как будто ничего не произошло ни с одним из это вообще. Как вы вскоре увидите, этот процесс может происходить различными способами.

Гомогенный катализ

Реакция считается гомогенно катализируемой, когда катализатор и реагент (ы) находятся в одном физическом состоянии или фазе. Это чаще всего происходит с парами газообразный катализатор-реагент. Типы гомогенных катализаторов включают органические кислоты, в которых донорный атом водорода заменен металлом, ряд соединений, смешивающих углерод и металлические элементы в некоторой форме, и карбонильные соединения, соединенные с кобальтом или железом.

Примером такого типа катализа с участием жидкостей является превращение персульфатных и йодид-ионов в сульфат-ион и йод:

S2O82- + 2 I- → 2 SO42- + I2

Эта реакция будет трудно протекать сама по себе, несмотря на благоприятную энергетику, потому что оба реагента заряжены отрицательно и, следовательно, их электростатические свойства противоположны их химическим свойствам. Но если к смеси добавить ионы железа, которые несут положительный заряд, железо «отвлекает» отрицательные заряды, и реакция быстро продвигается вперед.

Природный газообразный гомогенный катализ представляет собой превращение газообразного кислорода или O2 в атмосфере в озон или O3, где кислородные радикалы (O-) являются промежуточными. Здесь ультрафиолетовое излучение солнца является истинным катализатором, но все присутствующие физические соединения находятся в одинаковом (газообразном) состоянии.

Гетерогенный катализ

Реакция считается гетерогенно катализируемой, когда катализатор и реагент (ы) находятся в разных фазах, причем реакция происходит на границе раздела между ними (чаще всего это «граница» газ-твердое вещество). Некоторые из наиболее распространенных гетерогенных катализаторов включают неорганические, то есть не содержащие углерода, твердые вещества, такие как элементарные металлы, сульфиды и соли металлов, а также небольшие количества органических веществ, в том числе гидропероксиды и ионообменники.

Цеолиты являются важным классом гетерогенных катализаторов. Это кристаллические твердые вещества, состоящие из повторяющихся звеньев SiO4. Единицы четырех из этих соединенных молекул связаны вместе, чтобы сформировать различные структуры кольца и клетки. Присутствие атома алюминия в кристалле создает дисбаланс зарядов, который компенсируется протоном (то есть ионом водорода).

Ферменты

Ферменты - это белки, которые функционируют в качестве катализаторов в живых системах. Эти ферменты имеют компоненты, называемые сайтами связывания субстрата или активными центрами, где молекулы, участвующие в реакции при катализе, присоединяются. Составными частями всех белков являются аминокислоты, и каждая из этих отдельных кислот имеет неравномерное распределение заряда от одного конца к другому. Это свойство является основной причиной, по которой ферменты обладают каталитическими свойствами.

Активный сайт на ферменте соединяется с правильной частью субстрата (реагента), как ключ, входящий в замок. Обратите внимание, что катализаторы, описанные ранее, часто катализируют множество разнородных реакций и, следовательно, не обладают той степенью химической специфичности, которой обладают ферменты.

Как правило, когда присутствует больше субстрата и больше фермента, реакция протекает быстрее. Но если все больше и больше субстрата добавляется без добавления большего количества фермента, все сайты ферментативного связывания становятся насыщенными, и реакция достигает максимальной скорости для этой концентрации фермента. Каждая реакция, катализируемая ферментом, может быть представлена ​​в виде промежуточных продуктов, образующихся в результате присутствия фермента. То есть вместо того, чтобы писать:

S → P

чтобы показать превращение субстрата в продукт, вы можете изобразить это как:

E + S → ES → E + P

где средний член представляет собой комплекс фермент-субстрат (ES).

Ферменты, хотя и классифицируются как категории катализаторов, отличных от перечисленных выше, могут быть либо гомогенными, либо гетерогенными.

Ферменты функционируют оптимально в узком температурном диапазоне, что имеет смысл, учитывая, что температура вашего тела не колеблется более чем на несколько градусов в обычных условиях. Сильная жара разрушает многие ферменты и приводит к тому, что они теряют свою специфическую трехмерную форму. Этот процесс называется денатурированием, который применяется ко всем белкам.