Verschiedene Arten von Katalysatoren

Inhalt

• Allgemeine Eigenschaften von Katalysatoren
• Katalysatorchemie
• Homogene Katalyse
• Heterogene Katalyse
• Enzyme

In der Chemie a Katalysator ist eine Substanz, die die Geschwindigkeit einer Reaktion beschleunigt, ohne selbst in der Reaktion verbraucht zu werden. Jede Reaktion, die einen Katalysator verwendet, wird als bezeichnet Katalyse. Seien Sie vorsichtig mit dieser Unterscheidung, wenn Sie chemisches Material lesen. Ein Katalysator (mehrere "Katalysatoren") ist eine physikalische Substanz, aber die Katalyse (mehrere "Katalysatoren") ist ein Prozess.

Ein Überblick über jede der Katalysatorklassen ist ein hilfreicher Ausgangspunkt, um die analytische Chemie zu erlernen und zu verstehen, was auf molekularer Ebene passiert, wenn Substanzen zusammengemischt werden und eine Reaktion stattfindet. Es gibt drei Haupttypen von Katalysatoren und den damit verbundenen katalytischen Reaktionen: homogene Katalysatoren, heterogene Katalysatoren und Biokatalysatoren (üblicherweise als Enzyme bezeichnet). Weniger gebräuchliche, aber immer noch wichtige Arten von Katalysatoraktivitäten umfassen Photokatalyse, Umweltkatalyse und grüne katalytische Prozesse.

Allgemeine Eigenschaften von Katalysatoren

Die Mehrzahl der festen Katalysatoren sind Metalle (z. B. Platin oder Nickel) oder Nahe-Metalle (z. B. Silicium, Bor und Aluminium), die an Elemente wie Sauerstoff und Schwefel gebunden sind. Katalysatoren, die sich in der Flüssig- oder Gasphase befinden, bestehen eher aus einem einzigen Element, obwohl sie mit Lösungsmitteln und anderem Material kombiniert werden können, und feste Katalysatoren können in einer festen oder flüssigen Matrix, die als Katalysatorträger bekannt ist, verbreitet werden.

Katalysatoren beschleunigen die Reaktionen durch Absenken der Aktivierungsenergie E_ein einer Reaktion, die ohne Katalysator ablaufen würde, aber weitaus langsamer. Solche Reaktionen haben ein Produkt oder Produkte mit einer niedrigeren Gesamtenergie als die des Reaktanten oder der Reaktanten; Wäre dies nicht der Fall, würden diese Reaktionen ohne die Zugabe von externer Energie nicht stattfinden. Um jedoch vom Zustand höherer Energie in den Zustand niedrigerer Energie zu gelangen, müssen die Produkte zuerst "über den Buckel kommen", wobei dieser "Buckel" das E ist_ein. Katalysatoren glätten im Wesentlichen die Unebenheiten entlang der Reaktionsenergie-Straße, indem sie es den Reaktanten erleichtern, zur Energie-"Gefälle" der Reaktion zu gelangen, indem sie einfach die Höhe des "Hügels" absenken.

Chemische Systeme weisen Beispiele für positive und negative Katalysatoren auf, wobei erstere dazu neigen, die Reaktionsgeschwindigkeit zu beschleunigen, und negative Katalysatoren dazu dienen, sie zu verlangsamen. Beides kann je nach gewünschtem spezifischen Ergebnis vorteilhaft sein.

Katalysatorchemie

Katalysatoren führen ihre Arbeit aus, indem sie einen der Reaktanten vorübergehend binden oder auf andere Weise chemisch modifizieren und seine physikalische Konformation oder dreidimensionale Form auf eine Weise ändern, die es dem Reaktanten oder den Reaktanten erleichtert, in eines der Produkte umgewandelt zu werden. Stellen Sie sich einen Hund vor, der im Schlamm gerollt ist und sauber sein muss, bevor er hineinkommen kann. Der Schlamm würde sich irgendwann von selbst vom Hund lösen, aber wenn Sie etwas tun könnten, das den Hund in Richtung der Hofsprinkleranlage trieb, so dass der Schlamm schnell vom Fell gesprüht würde, hätten Sie in der Tat als "Katalysator" gedient "Von der Dirty-Dog zur Clean-Dog" Reaktion. "

Am häufigsten wird ein Zwischenprodukt, das in keiner gewöhnlichen Zusammenfassung der Reaktion gezeigt ist, aus einem Reaktanten und dem Katalysator gebildet, und wenn dieser Komplex in ein oder mehrere Endprodukte umgewandelt wird, wird der Katalysator so regeneriert, als ob noch nie etwas passiert wäre es überhaupt. Wie Sie gleich sehen werden, kann dieser Vorgang auf verschiedene Arten erfolgen.

Homogene Katalyse

Eine Reaktion wird berücksichtigt homogen katalysiert wenn der Katalysator und der (die) Reaktant (en) sich im gleichen physikalischen Zustand oder in der gleichen Phase befinden. Dies geschieht am häufigsten mit gasförmigen Katalysator-Reaktanten-Paaren. Typen von homogenen Katalysatoren umfassen organische Säuren, in denen das abgegebene Wasserstoffatom durch ein Metall ersetzt ist, eine Anzahl von Verbindungen, die Kohlenstoff und Metallelemente in irgendeiner Form mischen, und Carbonylverbindungen, die an Kobalt oder Eisen gebunden sind.

Ein Beispiel für diese Art der Katalyse mit Flüssigkeiten ist die Umwandlung von Persulfat- und Iodidionen in Sulfationen und Iod:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + Ich₂

Diese Reaktion würde trotz der günstigen Energetik von sich aus nur schwer ablaufen, da beide Reaktanten negativ geladen sind und daher ihre elektrostatischen Eigenschaften im Gegensatz zu ihren chemischen Eigenschaften stehen. Wenn jedoch Eisenionen, die eine positive Ladung tragen, zu der Mischung hinzugefügt werden, "lenkt" das Eisen die negativen Ladungen ab und die Reaktion schreitet schnell voran.

Eine natürlich vorkommende gasförmige homogene Katalyse ist die Umwandlung von Sauerstoffgas oder O.₂, in der Atmosphäre zu Ozon oder O₃wo Sauerstoffradikale (O^-) sind Zwischenprodukte. Hier ist ultraviolettes Licht der Sonne der eigentliche Katalysator, aber jede vorhandene physikalische Verbindung befindet sich im gleichen (Gas-) Zustand.

Heterogene Katalyse

Eine Reaktion wird berücksichtigt heterogen katalysiert wenn sich der Katalysator und der (die) Reaktant (en) in unterschiedlichen Phasen befinden, wobei die Reaktion an der Grenzfläche zwischen ihnen stattfindet (am häufigsten die Gas-Feststoff- "Grenze"). Einige der gebräuchlicheren heterogenen Katalysatoren umfassen anorganische - das heißt nicht kohlenstoffhaltige - Feststoffe wie elementare Metalle, Sulfide und Metallsalze sowie ein Zerstäuben von organischen Substanzen, darunter Hydroperoxide und Ionenaustauscher.

Zeolithe sind eine wichtige Klasse heterogener Katalysatoren. Dies sind kristalline Feststoffe, die aus sich wiederholenden Einheiten von SiO bestehen₄. Einheiten von vier dieser verbundenen Moleküle sind miteinander verbunden, um unterschiedliche Ring- und Käfigstrukturen zu bilden. Das Vorhandensein eines Aluminiumatoms im Kristall erzeugt ein Ladungsungleichgewicht, das durch ein Proton (d. H. Ein Wasserstoffion) ausgeglichen wird.

Enzyme

Enzyme sind Proteine, die als Katalysatoren in lebenden Systemen fungieren. Diese Enzyme haben Komponenten, die Substratbindungsstellen oder aktive Stellen genannt werden, an denen die an der Reaktion unter Katalyse beteiligten Moleküle gebunden werden. Die Bestandteile aller Proteine ​​sind Aminosäuren, und jede dieser einzelnen Säuren weist eine ungleichmäßige Ladungsverteilung von einem Ende zum anderen auf. Diese Eigenschaft ist der Hauptgrund, warum Enzyme katalytische Fähigkeiten besitzen.

Die aktive Stelle auf dem Enzym passt mit dem richtigen Teil des Substrats (Reaktanten) zusammen, ähnlich wie ein Schlüssel, der in ein Schloss geht. Es ist zu beachten, dass die zuvor beschriebenen Katalysatoren häufig eine Reihe unterschiedlicher Reaktionen katalysieren und daher nicht den Grad an chemischer Spezifität besitzen, den Enzyme aufweisen.

Im Allgemeinen verläuft die Reaktion schneller, wenn mehr Substrat und mehr Enzym vorhanden sind. Wenn jedoch immer mehr Substrat zugesetzt wird, ohne dass auch mehr Enzym zugesetzt wird, werden alle enzymatischen Bindungsstellen gesättigt, und die Reaktion hat ihre maximale Geschwindigkeit für diese Enzymkonzentration erreicht. Jede durch ein Enzym katalysierte Reaktion kann in Form der Zwischenprodukte dargestellt werden, die aufgrund der Anwesenheit des Enzyms gebildet werden. Das heißt, anstatt zu schreiben:

S → P

Um zu zeigen, dass ein Substrat in ein Produkt umgewandelt wird, können Sie dies wie folgt darstellen:

E + S → ES → E + P

wobei der mittlere Term der Enzym-Substrat (ES) -Komplex ist.

Enzyme können, obwohl sie als andere Katalysatorkategorie als die oben aufgeführten eingestuft sind, entweder homogen oder heterogen sein.

Enzyme funktionieren in einem engen Temperaturbereich optimal. Dies ist sinnvoll, da Ihre Körpertemperatur unter normalen Bedingungen nicht um mehr als ein paar Grad schwankt. Extreme Hitze zerstört viele Enzyme und bewirkt, dass sie ihre spezifische dreidimensionale Form verlieren, ein Vorgang, der Denaturierung genannt wird und für alle Proteine ​​gilt.