Inhoud
In chemie, een katalysator is een stof die de snelheid van een reactie versnelt zonder zelf in de reactie te worden verbruikt. Elke reactie die gebruik maakt van een katalysator wordt genoemd katalyse. Wees voorzichtig met dit onderscheid bij het lezen van chemiemateriaal; een katalysator (meervoud "katalysatoren") is een fysische substantie, maar katalyse (meervoud "katalyseert") is een proces.
Een overzicht van elk van de klassen van katalysatoren is een nuttig startpunt om analytische chemie te leren en te begrijpen wat er op moleculair niveau gebeurt wanneer u stoffen met elkaar mengt en er een reactie optreedt. Katalysatoren en hun bijbehorende katalytische reacties zijn er in drie hoofdtypen: homogene katalysatoren, heterogene katalysatoren en biokatalysatoren (meestal enzymen genoemd). Minder vaak voorkomende maar nog steeds belangrijke soorten katalysatoractiviteiten omvatten fotokatalyse, milieukatalyse en groene katalytische processen.
Algemene kenmerken van katalysatoren
De meeste vaste katalysatoren zijn metalen (bijvoorbeeld platina of nikkel) of bijna-metalen (bijvoorbeeld silicium, boor en aluminium) bevestigd aan elementen zoals zuurstof en zwavel. Katalysatoren die zich in de vloeibare of gasfase bevinden, hebben meer kans om uit een enkel element te bestaan, hoewel ze kunnen worden gecombineerd met oplosmiddelen en ander materiaal, en vaste katalysatoren kunnen worden verspreid in een vaste of vloeibare matrix die bekend staat als een katalysatordrager.
Katalysatoren versnellen reacties door de activeringsenergie Eeen van een reactie die zou verlopen zonder de katalysator, maar veel langzamer. Dergelijke reacties hebben een product of producten met een lagere totale energie dan die van de reactant of reactanten; indien dit niet het geval zou zijn, zouden deze reacties niet plaatsvinden zonder toevoeging van externe energie. Maar om van de hogere energietoestand naar de lagere energietoestand te komen, moeten de producten eerst "over de bult" komen, waarbij "bult" de E iseen. Katalysatoren maken in wezen de hobbels langs de weg van de reactie-energie glad door het voor de reagentia gemakkelijker te maken om de energie "helling" van de reactie te bereiken door eenvoudig de hoogte van de "heuveltop" te verlagen.
Chemische systemen bevatten voorbeelden van positieve en negatieve katalysatoren, waarbij de eerste de neiging heeft de reactiesnelheid te versnellen en negatieve katalysatoren die dienen om ze te vertragen. Beide kunnen voordelig zijn, afhankelijk van de gewenste gewenste uitkomst.
Catalyst Chemistry
Katalysatoren voeren hun werk uit door tijdelijk een van de reactanten te binden of anderszins chemisch te modificeren en de fysieke conformatie of driedimensionale vorm ervan te wijzigen op een manier die het gemakkelijker maakt voor de reactant of reactanten om te worden omgezet in een van de producten. Stel je voor dat je een hond hebt die in de modder is gerold en schoon moet zijn voordat hij naar binnen kan. De modder zou uiteindelijk vanzelf van de hond afkomen, maar als je iets kon doen dat de hond in de richting van de tuinsproeier duwde, zodat de modder snel van zijn vacht zou worden gespoten, zou je in feite hebben gediend als een "katalysator" "van de vuile hond op schone hond" reactie. "
Meestal wordt een tussenproduct dat niet in een gewone samenvatting van de reactie wordt weergegeven, gevormd uit een reactant en de katalysator, en wanneer dit complex wordt veranderd in een of meer eindproducten, wordt de katalysator geregenereerd alsof er nooit iets is gebeurd met een van het helemaal. Zoals u binnenkort zult zien, kan dit proces op verschillende manieren plaatsvinden.
Homogene katalyse
Een reactie wordt overwogen homogeen gekatalyseerd wanneer de katalysator en de reactant (en) zich in dezelfde fysische toestand of fase bevinden. Dit gebeurt meestal met gasvormige katalysator-reactantparen. Soorten homogene katalysatoren omvatten organische zuren waarin het gedoneerde waterstofatoom wordt vervangen door een metaal, een aantal verbindingen die koolstof en metaalelementen in een bepaalde vorm mengen en carbonylverbindingen verbonden met kobalt of ijzer.
Een voorbeeld van dit type katalyse met vloeistoffen is de omzetting van persulfaat- en jodide-ionen in sulfaation en jodium:
S2O82- + 2 I- → 2 SO42- + I2
Deze reactie zou het moeilijk hebben om zelfstandig verder te gaan ondanks de gunstige energetica, omdat beide reactanten negatief geladen zijn en daarom hun elektrostatische eigenschappen in tegenstelling zijn tot hun chemische eigenschappen. Maar als ijzerionen, die een positieve lading dragen, aan het mengsel worden toegevoegd, "leidt" het ijzer de negatieve ladingen af en gaat de reactie snel vooruit.
Een natuurlijk voorkomende gasvormige homogene katalyse is de omzetting van zuurstofgas of O2, in de atmosfeer tot ozon, of O3, waar zuurstofradicalen (O-) zijn tussenproducten. Hier is ultraviolet licht van de zon de ware katalysator, maar elke aanwezige fysische verbinding bevindt zich in dezelfde (gas) toestand.
Heterogene katalyse
Een reactie wordt overwogen heterogeen gekatalyseerd wanneer de katalysator en de reactant (en) zich in verschillende fasen bevinden, waarbij de reactie plaatsvindt op het grensvlak daartussen (meestal de gas-vaste "grens"). Enkele van de meest voorkomende heterogene katalysatoren omvatten anorganische - d.w.z. niet-koolstof bevattende - vaste stoffen zoals elementaire metalen, sulfiden en metaalzouten, evenals een kleine hoeveelheid organische stoffen, waaronder hydroperoxiden en ionenwisselaars.
Zeolieten zijn een belangrijke klasse heterogene katalysatoren. Dit zijn kristallijne vaste stoffen bestaande uit zich herhalende eenheden SiO4. Eenheden van vier van deze verbonden moleculen zijn aan elkaar gekoppeld om verschillende ring- en kooistructuren te vormen. De aanwezigheid van een aluminiumatoom in het kristal creëert een ladingsonbalans, die wordt gecompenseerd door een proton (d.w.z. een waterstofion).
enzymen
Enzymen zijn eiwitten die functioneren als katalysatoren in levende systemen. Deze enzymen hebben componenten die substraatbindingsplaatsen worden genoemd, of actieve plaatsen, waar de moleculen die betrokken zijn bij de katalytische reactie gehecht raken. De componenten van alle eiwitten zijn aminozuren, en elk van deze individuele zuren heeft een ongelijke ladingsverdeling van het ene uiteinde naar het andere. Deze eigenschap is de belangrijkste reden waarom enzymen katalytische eigenschappen bezitten.
De actieve plaats op het enzym past samen met het juiste deel van het substraat (reactant), zoals een sleutel die in een slot gaat. Merk op dat de eerder beschreven katalysatoren vaak een reeks ongelijke reacties katalyseren en daarom niet de mate van chemische specificiteit bezitten die enzymen hebben.
In het algemeen zal, wanneer meer substraat en meer van een enzym aanwezig zijn, de reactie sneller verlopen. Maar als meer en meer substraat wordt toegevoegd zonder ook meer enzym toe te voegen, raken alle enzymatische bindingsplaatsen verzadigd en heeft de reactie zijn maximale snelheid voor die enzymconcentratie bereikt. Elke reactie gekatalyseerd door een enzym kan worden weergegeven in termen van de tussenproducten die worden gevormd door de aanwezigheid van het enzym. Dat wil zeggen, in plaats van te schrijven:
S → P
om te laten zien dat een substraat wordt omgezet in een product, kunt u dit weergeven als:
E + S → ES → E + P
waarbij de middellange termijn het enzym-substraat (ES) -complex is.
Enzymen, hoewel geclassificeerd als een categorie katalysator die verschilt van de hierboven genoemde, kunnen homogeen of heterogeen zijn.
Enzymen werken optimaal binnen een nauw temperatuurbereik, wat logisch is gezien het feit dat uw lichaamstemperatuur niet meer dan enkele graden fluctueert in normale omstandigheden. Extreme hitte vernietigt veel enzymen en zorgt ervoor dat ze hun specifieke driedimensionale vorm verliezen, een proces dat denaturering wordt genoemd en dat op alle eiwitten van toepassing is.