Основно съдържание

Химична библиотека

Курс: Химична библиотека > Раздел 17

Урок 3: Уравнение на Арениус и механизми на реакция

Типове катализатори

Класна стая на Google

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:

start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript, left parenthesis, s, right parenthesis, plus, 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, right arrow, 6, start text, C, end text, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, plus, 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, plus, h, e, a, t, delta, start text, G, end text, degrees, start text, a, t, space, end text, 25, degrees, start text, C, end text, equals, minus, 2885, start fraction, start text, k, J, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, end fraction

Без тази реакция изучаването на химия би било много по-трудно. За наш късмет, реакцията на окисление се благоприятства по отношение на термодинамиката при 25, degrees, start text, C, end text, тъй като delta, start text, G, end text, degrees, is less than, 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 25, degrees, start text, C, end text, 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.

Намаляване на енергията на преходната фаза и по този начин намаляване на активиращата енергия, и/или
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 left parenthesis, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, right parenthesis и вода left parenthesis, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, right parenthesis, от която се образува въглеродна киселина. Когато концентрацията на start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript в тялото е прекалено висока, карбоанхидразата катализира следната реакция:

start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript

Ензимът регулира концентрацията на въглеродна киселина в кръвта и по този начин балансира start text, p, H, end text на тялото.

Лентова диаграма на човешкия ензим карбоанхидраза II. Не е ли красива химията? Сивата сфера в центъра на протеина е цинков йон. Image from Wikimedia Commons, обществено достояние

Карбоанхидразата е един от най-бързите ензими със скорост между 10, start superscript, 4, end superscript и 10, start superscript, 6, end superscript реакции в секунда. Това е още по-невероятно в сравнение с некатализирана реакция, която е със скорост ~0, comma, 2 реакции в секунда. Това означава, че скоростта се е увеличила ~10, start superscript, 5, end superscript, minus, 10, start superscript, 7, end superscript 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.

Диаграма на енергията за реакция между въглероден диоксид и вода, от която се образува въглеродна киселина. Добавянето на катализатор (синята линия) намалява енергията на преходния етап, но не променя заряда delta, start text, H, end text, start subscript, start text, r, x, n, end text, end subscript в сравнение с реакцията без катализатор (червената линия). Image from Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

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.

[Каква е връзката между скоростта на реакцията 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, delta, start text, H, end text, start subscript, start text, r, x, n, end text, end subscript, 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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript йон. В основна катализа катализаторът обикновено е start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript 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:

Кисело-катализираната реакция, при която се образува глюкоза и фруктоза от захароза, позната още като трапезна захар

В първата стъпка захарозате реагира обратимо с start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript (в червено), за да образува протонирана захароза. Протонираната захароза реагира с вода (в синьо) до получаването на start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, една молекула глюкоза и една молекула фруктоза. Общата реакция може да се запише така:

\text{Захароза} + \text H_2 \text O \xrightarrow{\text{кисел катализатор}} \text{Глюкоза} + \text{Фруктоза}

Тъй като start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript 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.

[Как се нарича катализатор, който е в същата фаза като реактантите?]

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.

Твърдият катализатор в каталитичния конвертор намалява емисиите на токсични газове, неизгорено гориво и твърди частици. Твърдата подложка има голяма повърхностна площ, за да увеличи повърхностната площ на катализатора, която може да реагира с отработените газове. Image от Oak Ridge National Laboratory on flickr, CC BY-NC-ND 2,0

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.

Полиетиленът се използва и за изкуствени стави! Металната става на този изкуствен таз влиза в полиетиленов джоб, който се вижда ясно на рентген. Image от Wikimedia Commons, обществено достояние

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.

[Източници и препратки]

Сортирай по:

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.