Какво е катализатор? Включва ензими, кислинно-основни катализатори и хетерогенни (или повърхностни) катализатори.

Основни идеи

  • Катализатор е вещество, което може да се добави към дадена реакция, за да увеличи скоростта на протичане на реакцията без да се консумира в процеса.
  • Катализаторите обикновено ускоряват реакцията като редуцират енергията на активация или променят механизма на реакция.
  • Ензимите са протеини, които действат като катализатори в биохимичните реакции.
  • Често срещани видове катализатори включват ензими, киселинно-основни катализатори и хетерогенни (или повърхностни) катализатори.

Въведение: Мислен кинетичен експеримент

Твоят мозък се подхранва от окислението на глюкозата. Окислението на глюкоза може да бъде представено със следната балансирана химична реакция:
C6H12O6(s)+6O2(g)6CO2(g)+6H2O(l)+heatΔGat 25C=2885kJmol\text C_6 \text H_{12} \text O_6(s)+6\text O_2(g) \rightarrow 6\text C \text O_2(g) + 6\text H_2 \text O(l) + heat\quad\quad{\Delta\text G^\circ \,\text {at }25\,^\circ \text C=-2885\,\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}}
Без тази реакция изучаването на химия би било много по-трудно. За наш късмет, реакцията на окисление се благоприятства по отношение на термодинамиката при 25C25\,^\circ \text C, тъй като ΔG<0\Delta\text G^\circ<0.
Защо не опитаме? Намери някаква сладка храна, например стафида. Добави кислород (остави я навън за известно време). Какво се случва?
Забелязвал ли освобождаване на топлинна енергия? Образуване на вода и експлозивно облаче от газ въглероден диоксид?
Стафидата обаче не прави нищо повече от това да изсъхне още повече. Макар че окислението на глюкоза е благоприятна реакция по отношение на термодинамиката, се оказва, че скоростта на реакцията е много много бавна.
Скоростта на дадена реакция зависи от фактори като:
  • Енергия на активация
  • Температура: ако загрееш стафидата с достатъчно висока температура, вероятно ще се запали и окисли
Тези фактори са близко свързани: повишаването на температурата повишава кинетичната енергия на молекулите на реактанта. Това повишава вероятността да имат достатъчно енергия, за да преминат активиращата бариера.
Как тялото ти решава проблема с окислението на глюкоза? В крайна сметка, температурата на твоето тяло не е много по-висока от 25C25\,^\circ \text C, как така тази реакция протича постоянно?
Биологичните системи използва катализатори, за да увеличат скоростта на окисление на реакцията, за да протече с по-голяма скорост при по-ниска температура. В тази статия ще поговорим за това какво са катализаторите и за различните видове катализатори.

Какво е катализатор?

Катализаторът е вещество, което може да се добави към дадена реакция, за да увеличи скоростта на протичане на реакцията без да се консумира в процеса.
  1. Намаляване на енергията на преходната фаза и по този начин намаляване на активиращата енергия, и/или
  2. Промяна в механизма на реакцията. Това променя и природата (и енергията) на преходната фаза.
Катализаторите са навсякъде! Много биохимични процеси като окислението на глюкоза, са силно зависими от ензими, протеини, които действат като катализатори.
Други често срещани видове катализатори включват киселинно-основни катализатори и хетерогенни (или повърхностни) катализатори.

Пример: Карбоанхидраза

Ензимът карбоанхидраза катализира обратимата реакция на въглероден диоксид (CO2)(\text{CO}_2) и вода (H2O)(\text H_2 \text O), от която се образува въглеродна киселина. Когато концентрацията на CO2\text{CO}_2 в тялото е прекалено висока, карбоанхидразата катализира следната реакция:
CO2+H2OH2CO3\text{CO}_2 + \text H_2 \text O \rightarrow \text H_2 \text{CO}_3
Ензимът регулира концентрацията на въглеродна киселина в кръвта и по този начин балансира pH\text{pH} на тялото.
Карбоанхидразата е един от най-бързите ензими със скорост между 10410^4 и 10610^6 реакции в секунда. Това е още по-невероятно в сравнение с некатализирана реакция, която е със скорост ~0.20.2 реакции в секунда. Това означава, че скоростта се е увеличила ~10510710^5-10^7 пъти!
Диаграма на енергията за реакцията между въглероден диоксид и вода, от която се образува въглеродна киселина. Реакцията с катализатор е отбелязана със синя линия, а тази без - с червена линия.
Катализаторите намаляват енергията на преходната фаза на реакцията. Тъй като активиращата енергия е разликата между енергията на преходната фаза и енергията на реактанта, намаляването на енергията на преходната фаза намалява и активиращата енергия.
Забележи, че енергиите на реактантите и на продуктите са еднакви за катализирана и некатализирана реакция. Следователно общата енергия, освободена по време на реакцията, ΔHrxn\Delta \text H_{\text{rxn}}, не се променя, когато добавиш ензима. Това води до заключението, че кинетиката на реакцията, или скоростта на реакцията, не е пряко свързана с термодинамиката на реакцията.

Киселинно-основни катализатори

В кисела катализа катализаторът обикновено е H+\text{H}^+ йон. В основна катализа катализаторът обикновено е OH\text{OH}^- йон.
Пример за реакция, която може да бъде катализирана от киселина, е хидролиза на захарозата, позната още като трапезна захар. Захарозата е комбинация от две по-прости захари (или монозахариди), глюкоза и фруктоза. С добавянето на киселина или на ензим като захарозо, захарозата може да се разпадне на глюкоза и фруктоза, както е показано в следващата поредица реакции:
В първата стъпка захарозате реагира обратимо с H+\text H^+ (в червено), за да образува протонирана захароза. Протонираната захароза реагира с вода (в синьо) до получаването на H+\text H^+, една молекула глюкоза и една молекула фруктоза. Общата реакция може да се запише така:
Захароза+H2Oкисел катализаторГлюкоза+Фруктоза\text{Захароза} + \text H_2 \text O \xrightarrow{\text{кисел катализатор}} \text{Глюкоза} + \text{Фруктоза}
Тъй като H+\text H^+ участва и като реактант, и като продукт в еднакви количества, той не се консумира по време на реакцията. Следователно катализаторът не се появява от страната на реактанта или на продукта в общата реакция.

Хетерогенни и повърхностни катализатори

Хетерогенните катализатори са катализатори, които са в различна фаза от фазата на реактантите. Например катализаторът може да бъде твърда фаза, а реактантите да са течности или газове.
Един пример за хетерогенен катализатор са каталитичните преобразуватели, използвани в бензиновите и дизеловите автомобили. Каталитичните преобразуватели съдържат катализатори - преходни метали, закрепени на твърда подложка. Катализаторът в твърда фаза влиза в контакт с изгорелите газове и увеличава скоростта на реакцията, за да се образуват по-малко токсични продукти от замърсителите в изгорелите газове като въглероден оксид и неизгорено гориво.
Каталитичният преобразувател е пример и за повърхностен катализатор, където молекулите на реактанта се адсорбират от твърда повърхност, преди да реагират с катализатора и да образуват продукт. Скоростта на повърхностно-катализирана реакция се увеличава с увеличаването на повърхността на катализатора, която е в контакт с реактантите. Следователно твърдата подложка в каталитичния преобразувател е направена с много голяма повърхностна площ е пореста, подобно на пчелна пита.
Друг пример за хетерогенен и повърхностен катализатор е процесът, който се използва за направата на пластмаси (или полимери) като полиетилена. Тези катализатори се наричат Зайгер-Ната катализатори и се използват за направата на всичко от пластмасови опаковки до кофички за кисело мляко. Катализаторите - преходни метали се закрепват здраво на твърд носител преди реагирането им с началните материали (наречени още мономери) в газовата фаза или в разтвора.
Макар, че реактантите са в газова фаза, полимерният продукт обикновено е твърдо вещество. Представям си реакцията, аналогична на приготвянето на пуканки: вътрешността на неразпукано царевично зърно е катализаторът на твърда подложка. Газовите мономери реагират и образуват твърди полимерни пластове, които се изграждат по повърхността на катализатора, който накрая се превръща в полимерна "пуканка". Химията е като магия!

Обобщение

  • Катализатор е вещество, което може да се добави към дадена реакция, за да увеличи скоростта на протичане на реакцията без да се консумира в процеса.
  • Катализаторите обикновено ускоряват реакцията като редуцират енергията на активация или променят механизма на реакция.
  • Ензимите са протеини, които действат като катализатори в биохимични реакции.
  • Често срещани видове катализатори включват ензими, киселинно-основни катализатори и хетерогенни (или повърхностни) катализатори.
Зареждане