Типове катализатори

Катализаторът ускорява дадена реакция, като намалява активиращата енергия. Има много видове катализатори. Първо ще разгледаме ензимите, които са биологични катализатори. Да кажем, че това представлява един ензим, а мястото, където протича реакцията, се нарича активен център на ензима. Да кажем, че в този случай това е активният център. Веществото, което реагира при активния център, се нарича субстрат. Тази малка картинка тук с два слепени триъгълника е субстратът в нашата реакция. В следващата стъпка субстратът се свързва с активния център на ензима. Когато субстратът се прикрепи, субстратът може да предизвика промени във формата на активния център и това позволява по-добро свързване. Вляво можем да видим как формата на активния център се променя леко, когато субстрат се прикрепи към него. Образуването на такъв ензимно-субстратен комплекс се нарича модел на индуцираното напасване. Субстратът взаимодейства с ензима чрез нековалентни взаимодействия в активния център – например чрез водородни връзки или взаимодействия дипол-дипол. Вероятно някои от тези нековалентни взаимодействия водят до промяна в електронната плътност, което улеснява достигането до преходно състояние за реакцията, следователно се понижава активиращата енергия и цялостно се ускорява реакцията. След това, да кажем, връзката между двата триъгълника се разкъсва и получаваме два продукта ето тук, тези два отделни триъгълника. Активният център на ензима се връща до началната си форма и е готов да катализира друга реакция. Сега да разгледаме така наречения хомогенен катализатор, което е катализатор, който се намира в една и съща фаза с реактантите в реакционната смес. Нека разгледаме хидролизата на захароза и превръщането ѝ в глюкоза и фруктоза. Тази реакция може да бъде катализирана от хидрониевия йон H3O+. И тъй като захарозата, реактантът ни, е във воден разтвор, а същото важи и за хидрониевия йон, казваме, че хидрониевият йон е хомогенен катализатор. Той е източник на протони за катализиране на реакцията на хидролиза. Тук чертая молекулата на захарозата, която е дизахарид, изграден от два монозахарида. Глюкозата е тук вляво и фруктозата е тук вдясно. Тези два монозахарида са свързани от етерна връзка. Можем да видим тази връзка тук. Този кислород между двата монозахарида представлява етерна връзка. Етерите са доста химически нереактивни. Тъй като етерите са по принцип нереактивни, хидролизата на захарозата е доста бавна реакция. За да я ускорим, ни трябва киселинен катализатор. Ако добавим киселинен катализатор и имаме хидрониеви йони във воден разтвор, несподелена електронна двойка при кислорода в етера ще приеме този протон и тези електрони ще станат споделени, при което се образува молекула вода. Свързването на кислорода с протон дава на кислорода +1 формален заряд. И това позволява протичането на киселинно-катализиран механизъм. Този механизъм съдържа още стъпки, но, в крайна сметка, захарозата се разгражда да глюкоза и фруктоза в тази киселинно-катализирана хидролиза на захарозата. Пчелите всъщност притежават ензим за преобразуване на захарозата, която представлява трапезна захар, с който я превръщат в глюкоза и фруктоза. И тъй като фруктозата е по-сладка от захарозата, медът е по-сладът от трапезната захар. Хетерогенен катализатор е катализатор, който се намира в различна фаза в сравнение с реактантите в реакционна смес. Като пример да разгледаме реакция на хидрогениране. В тази реакция етен реагира с водород на повърхността на платина, при което се образува етан. Тъй като платината е в твърдо състояние, а реактантите са в газообразно състояние, платината е пример за хетерогенен катализатор. Тук на картинката имаме парче платина в метална форма, като етеновата молекула и водородът са адсорбирани на повърхността на платиновия метал. След това връзката между двата водородни атома се разкъсва и получаваме два отделни водородни атома, свързани с повърхността на платиновия метал. В крайна сметка тези два водорода се присъединяват към двойната връзка на етена и образуват молекула етан, С2Н6. Хидрогенирането на етена до образуване на етан, което се катализира от наличието на метала платина.