Diversi tipi di catalizzatori

Contenuto

• Caratteristiche generali dei catalizzatori
• Chimica del catalizzatore
• Catalisi omogenea
• Catalisi eterogenea
• enzimi

In chimica, a catalizzatore è una sostanza che accelera la velocità di una reazione senza essere consumata nella reazione. Ogni reazione che utilizza un catalizzatore è definita catalisi. Prestare attenzione a questa distinzione quando si legge materiale chimico; un catalizzatore ("catalizzatori" plurale) è una sostanza fisica, ma la catalisi ("catalizzatori" plurale) è un processo.

Una panoramica di ciascuna delle classi di catalizzatori è un utile punto di partenza per l'apprendimento della chimica analitica e la comprensione di ciò che accade a livello molecolare quando si mescolano sostanze e si verifica una reazione. I catalizzatori e le loro reazioni catalitiche associate si presentano in tre tipi principali: catalizzatori omogenei, catalizzatori eterogenei e biocatalizzatori (generalmente chiamati enzimi). Tipi di attività di catalizzatore meno comuni ma comunque importanti includono fotocatalisi, catalisi ambientale e processi catalitici verdi.

Caratteristiche generali dei catalizzatori

La maggior parte dei catalizzatori solidi sono metalli (ad es. Platino o nichel) o quasi-metalli (ad es. Silicio, boro e alluminio) attaccati a elementi come ossigeno e zolfo. I catalizzatori che si trovano nella fase liquida o gassosa hanno maggiori probabilità di essere costituiti da un singolo elemento, sebbene possano essere combinati con solventi e altro materiale e i catalizzatori solidi possono essere disseminati all'interno di una matrice solida o liquida nota come supporto catalizzatore.

I catalizzatori accelerano le reazioni abbassando il energia di attivazione E_un' di una reazione che procederebbe senza il catalizzatore, ma molto più lentamente. Tali reazioni hanno un prodotto o prodotti con un'energia totale inferiore a quella del reagente o dei reagenti; se così non fosse, queste reazioni non si verificherebbero senza l'aggiunta di energia esterna. Ma per passare dallo stato di energia superiore a quello di energia inferiore, i prodotti devono prima "superare la gobba", quella "gobba" è la E_un'. I catalizzatori in sostanza levigano i dossi lungo la strada dell'energia di reazione rendendo più facile per i reagenti arrivare all'energia "in discesa" della reazione semplicemente abbassando l'elevazione della "sommità".

I sistemi chimici presentano esempi di catalizzatori positivi e negativi, con i primi che tendono ad accelerare la velocità della reazione e catalizzatori negativi che servono a rallentarli. Entrambi possono essere vantaggiosi, a seconda del risultato specifico desiderato.

Chimica del catalizzatore

I catalizzatori svolgono il loro lavoro legandosi temporaneamente o modificando in altro modo chimicamente uno dei reagenti e cambiando la sua conformazione fisica, o forma tridimensionale, in modo da facilitare la trasformazione del reagente o dei reagenti in uno dei prodotti. Immagina di avere un cane che è rotolato nel fango e deve essere pulito prima che possa entrare. Il fango sarebbe uscito dal cane da solo alla fine, ma se tu potessi fare qualcosa che spingesse il cane nella direzione dell'irrigatore del cortile in modo che il fango venisse spruzzato rapidamente dalla sua pelliccia, avresti servito in effetti come "catalizzatore" "reazione da cane sporco a cane pulito".

Molto spesso, un prodotto intermedio non mostrato in alcun riassunto ordinario della reazione viene formato da un reagente e dal catalizzatore e quando questo complesso viene trasformato in uno o più prodotti finali, il catalizzatore viene rigenerato come se nulla fosse mai accaduto a nessuno dei a tutti. Come vedrai tra poco, questo processo può avvenire in vari modi.

Catalisi omogenea

Viene considerata una reazione catalizzato in modo omogeneo quando il catalizzatore e i reagenti sono nello stesso stato o fase fisica. Ciò accade più spesso con coppie di catalizzatori gassosi reagenti. Tipi di catalizzatori omogenei includono acidi organici in cui l'atomo di idrogeno donato viene sostituito da un metallo, un certo numero di composti che mescolano carbonio e elementi metallici in qualche forma e composti carbonilici uniti a cobalto o ferro.

Un esempio di questo tipo di catalisi che coinvolge liquidi è la conversione degli ioni persolfato e ioduro in ione solfato e iodio:

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + I₂

Questa reazione avrebbe difficoltà a procedere da sola nonostante l'energetica favorevole, poiché entrambi i reagenti sono caricati negativamente e quindi le loro qualità elettrostatiche sono in contrasto con le loro qualità chimiche. Ma se gli ioni ferro, che portano una carica positiva, vengono aggiunti alla miscela, il ferro "distrae" le cariche negative e la reazione avanza rapidamente.

Una catalisi omogenea gassosa presente in natura è la conversione di ossigeno gassoso, o O₂, nell'atmosfera all'ozono, o O₃, dove i radicali dell'ossigeno (O^-) sono intermedi. Qui, la luce ultravioletta del sole è il vero catalizzatore, ma ogni composto fisico presente è nello stesso stato (gas).

Catalisi eterogenea

Viene considerata una reazione catalizzato in modo eterogeneo quando il catalizzatore e i reagenti sono in fasi diverse, con la reazione che si verifica all'interfaccia tra di loro (più comunemente, il "bordo" solido gas). Alcuni dei catalizzatori eterogenei più comuni includono solidi inorganici, cioè non contenenti carbonio, come metalli elementari, solfuri e sali metallici, nonché un'infarinatura di sostanze organiche, tra cui idroperossidi e scambiatori di ioni.

Le zeoliti sono un'importante classe di catalizzatori eterogenei. Questi sono solidi cristallini costituiti da unità ripetitive di SiO₄. Unità di quattro di queste molecole unite sono collegate tra loro per formare diverse strutture ad anello e gabbia. La presenza di un atomo di alluminio nel cristallo crea uno squilibrio di carica, che è compensato da un protone (cioè uno ione idrogeno).

enzimi

Gli enzimi sono proteine ​​che funzionano come catalizzatori nei sistemi viventi. Questi enzimi hanno componenti chiamati siti di legame al substrato, o siti attivi, in cui le molecole coinvolte nella reazione sotto catalisi si attaccano. Le parti componenti di tutte le proteine ​​sono aminoacidi e ciascuno di questi singoli acidi ha una distribuzione della carica irregolare da un'estremità all'altra. Questa proprietà è il motivo principale per cui gli enzimi possiedono capacità catalitiche.

Il sito attivo sull'enzima si adatta alla parte corretta del substrato (reagente) piuttosto come una chiave che entra in una serratura. Si noti che i catalizzatori descritti in precedenza spesso catalizzano una serie di reazioni diverse e quindi non possiedono il grado di specificità chimica che gli enzimi possiedono.

In generale, quando sono presenti più substrato e più di un enzima, la reazione procederà più rapidamente. Ma se si aggiunge sempre più substrato senza aggiungere altro enzima, tutti i siti di legame enzimatico si saturano e la reazione ha raggiunto il suo massimo tasso per quella concentrazione di enzima. Ogni reazione catalizzata da un enzima può essere rappresentata in termini di prodotti intermedi formati a causa della presenza dell'enzima. Cioè, invece di scrivere:

S → P

per mostrare un substrato che viene trasformato in un prodotto, puoi descriverlo come:

E + S → ES → E + P

in cui il termine medio è il complesso enzimatico-substrato (ES).

Gli enzimi, sebbene classificati come categoria di catalizzatore distinti da quelli sopra elencati, possono essere omogenei o eterogenei.

Gli enzimi funzionano in modo ottimale all'interno di un intervallo di temperatura ristretto, il che ha senso dato che la temperatura corporea non fluttua di più di qualche grado in condizioni normali. Il calore estremo distrugge molti enzimi e li fa perdere la loro specifica forma tridimensionale, un processo chiamato denaturazione che si applica a tutte le proteine.