İçerik
Kimyada, bir katalizatör reaksiyonda tüketilmeden reaksiyon hızını hızlandıran bir maddedir. Bir katalizörün kullanıldığı herhangi bir reaksiyonun adı verilir. kataliz. Kimya materyallerini okurken bu ayrım konusunda dikkatli olun; bir katalizör (çoğul "katalizörler") fiziksel bir maddedir, ancak kataliz (çoğul "katalizörler") bir işlemdir.
Katalizör sınıflarının her birine genel bir bakış, analitik kimyayı öğrenmek ve maddeleri bir arada karıştırdığınızda ve bir reaksiyon meydana geldiğinde moleküler düzeyde neler olduğunu anlamada yararlı bir başlangıç noktasıdır. Katalizörler ve bunların ilişkili katalitik reaksiyonları üç ana tipte gelir: homojen katalizörler, heterojen katalizörler ve biyokatalizörler (genellikle enzimler olarak adlandırılır). Daha az yaygın ancak yine de önemli katalizör aktiviteleri, fotokataliz, çevresel kataliz ve yeşil katalitik işlemleri içerir.
Katalizörlerin Genel Özellikleri
Katı katalizörlerin çoğu, oksijen ve kükürt gibi elementlere tutturulmuş metaller (örneğin platin veya nikel) veya yakın metallerdir (örneğin silikon, bor ve alüminyum). Sıvı veya gaz fazında bulunan katalizörlerin, tek bir elementten oluşma olasılığı daha yüksektir, bununla birlikte, çözücüler ve diğer malzemelerle birleştirilebilirler ve katı katalizörler, katalizör desteği olarak bilinen katı veya sıvı bir matris içinde yayılabilir.
Katalizörler, reaksiyonu azaltarak reaksiyonları hızlandırır. aktivasyon enerjisi Ebir Katalizör olmadan ilerleyebilecek, ancak çok daha yavaş bir reaksiyonun gerçekleşmesi. Bu tür reaksiyonlar, reaktan veya reaktanlardan daha düşük toplam enerjiye sahip bir ürüne veya ürünlere sahiptir; durum böyle olmasaydı, bu reaksiyonlar dış enerji eklenmeden gerçekleşmezdi. Ancak, daha yüksek enerji durumundan daha düşük enerji durumuna geçmek için, ürünlerin ilk önce "kambur üstesinden gelmesi" gerekir;bir. Esasen katalizörler, tepkimeye giren maddelerin tepkimenin enerjisini "tepenin" yükselmesini basitçe düşürerek tepkimeye girecek enerjiye ulaşmasını kolaylaştırarak tepkime-enerji yolu boyunca çıkıntıları yumuşatır.
Kimyasal sistemler, pozitif ve negatif katalizör örnekleri içerir; ilki, reaksiyon hızını hızlandırmaya meyilli ve negatif katalizörler bunları yavaşlatmaya yarar. Her ikisi de istenen spesifik sonuca bağlı olarak avantajlı olabilir.
Katalizör Kimyası
Katalizörler, reaktiflerin birine geçici olarak bağlanarak veya başka şekilde kimyasal olarak modifiye edilerek ve fiziksel konformasyonunu veya üç boyutlu şeklini reaktantların veya reaktiflerin ürünlerden birine dönüştürülmesini kolaylaştıracak şekilde değiştirerek çalışmalarını sürdürürler. Çamurda yuvarlanan ve içeri girmeden önce temiz olması gereken bir köpeğin olduğunu hayal edin. Çamur sonunda köpeğin kendiliğinden çıkacaktı, ancak köpeği yarda yağmurlama yönünde iten bir şey yapabilirseniz, çamurun kürkünden hızla püskürtülecek bir “katalizör” olarak hizmet etmiş olursunuz. "Kirli-Köpeğin Temiz Köpeğe" Tepkisi "
Çoğu zaman, reaksiyonun herhangi bir sıradan özetinde gösterilmeyen bir ara ürün bir tepken ve katalizörden oluşur ve bu kompleks bir veya daha fazla nihai ürün olarak değiştirildiğinde, katalizör herhangi birisine hiç bir şey olmamış gibi yeniden üretilir hiç de değil. Kısaca göreceğiniz gibi, bu işlem çeşitli şekillerde gerçekleşebilir.
Homojen Kataliz
Bir reaksiyon düşünülür homojen katalizörlü Katalizör ve reaktif (ler) aynı fiziksel durumda veya fazda olduğunda. Bu en sık gaz halinde katalizör-reaktif çiftleri ile olur. Homojen katalizör tipleri, bağışlanan hidrojen atomunun bir metal ile değiştirildiği organik asitleri, bazı şekillerde karbon ve metal elementleri birleştiren birkaç bileşiği ve kobalt veya demire birleştirilen karbonil bileşikleri içerir.
Sıvıları içeren bu tür katalizlerin bir örneği, persülfat ve iyodür iyonlarının sülfat iyonu ve iyodine dönüştürülmesidir:
S2Ö82- + 2 I- → 2 SO42- + Ben2
Bu reaksiyon, olumlu enerjilere rağmen tek başına ilerlemekte zorlanacaktır, çünkü her iki reaktif de negatif olarak yüklenir ve bu nedenle elektrostatik nitelikleri kimyasal niteliklerine karşıdır. Ancak, pozitif yük taşıyan demir iyonları karışıma eklenirse, demir negatif yükleri "dağıtır" ve reaksiyon hızla ilerler.
Doğal olarak oluşan gaz halindeki homojen bir kataliz, oksijen gazı veya O'nun dönüşümüdür.2, atmosferde ozon ya da O3, burada oksijen radikalleri (O-) ara üründür. Burada güneşten gelen ultraviyole ışık gerçek katalizördür, fakat mevcut her fiziksel bileşik aynı (gaz) durumdadır.
Heterojen Kataliz
Bir reaksiyon düşünülür heterojen katalizör Katalizör ve reaktif (ler) farklı fazlarda olduklarında, reaksiyon aralarındaki arayüzde meydana gelirken (en yaygın olarak gaz-katı "sınır"). Daha yaygın olan heterojen katalizörlerin bazıları, inorganik - yani, elemental metaller, sülfitler ve metalik tuzlar gibi karbon içermeyen katılar, ayrıca bunların arasında hidroperoksitleri ve iyon değiştiricileri içerir.
Zeolitler, önemli bir heterojen katalizör sınıfıdır. Bunlar, tekrarlayan SiO ünitelerinden oluşan kristal katı maddelerdir.4. Bu birleştirilmiş moleküllerin dördünün birimleri farklı halka ve kafes yapıları oluşturmak için birbirine bağlanır. Kristalde bir alüminyum atomunun varlığı, bir proton (yani bir hidrojen iyonu) tarafından dengelenen bir yük dengesizliği yaratır.
Enzimler
Enzimler, canlı sistemlerde katalizör görevi gören proteinlerdir. Bu enzimler, substrat bağlama bölgeleri olarak adlandırılan bileşenlere veya kataliz altında reaksiyona katılan moleküllerin eklendiği aktif bölgelere sahiptir. Tüm proteinlerin bileşen kısımları amino asittir ve bu ayrı ayrı asitlerin her biri bir uçtan diğerine eşit olmayan bir yük dağılımına sahiptir. Bu özellik enzimlerin katalitik özelliklere sahip olmasının ana nedenidir.
Enzimdeki aktif bölge, kilidin içine giren bir anahtar gibi, substratın (reaktif) doğru parçası ile bir araya gelir. Daha önce tarif edilen katalizörlerin sıklıkla farklı reaksiyon dizisini katalize ettiğini ve bu nedenle enzimlerin yaptığı kimyasal özgüllük derecesine sahip olmadığına dikkat edin.
Genel olarak, daha fazla substrat ve daha fazla enzim mevcut olduğunda reaksiyon daha hızlı ilerler. Ancak, daha fazla enzim eklenmeden daha fazla substrat eklenirse, tüm enzimatik bağlanma bölgeleri doygun hale gelir ve reaksiyon bu enzim konsantrasyonu için maksimum hızına ulaşır. Bir enzim tarafından katalizlenen her reaksiyon, enzimin varlığına bağlı olarak oluşturulan ara ürünler açısından temsil edilebilir. Bu, yazmak yerine:
S → P
Ürüne dönüştürülen bir alt tabakayı göstermek için bunu şu şekilde gösterebilirsiniz:
E + S → ES → E + P
buradaki orta terim, enzim-substrat (ES) kompleksidir.
Enzimler, yukarıda listelenenlerden farklı bir katalizör kategorisi olarak sınıflandırılsa da, homojen veya heterojen olabilir.
Enzimler, normal koşullarda, vücut sıcaklığınızın birkaç dereceden fazla dalgalanmadığı göz önüne alındığında, dar bir sıcaklık aralığında optimum şekilde çalışır. Aşırı ısı, birçok enzimi yok eder ve tüm proteinlere uygulanan denatüre denilen bir süreç olan üç boyutlu şekillerini kaybetmelerine neden olur.