Κατάλυση ορίζεται ως αύξηση του ποσοστό χημικής αντίδρασης εισάγοντας ένα καταλύτης. Ένας καταλύτης, με τη σειρά του, είναι μια ουσία που δεν καταναλώνεται από το χημική αντίδραση, αλλά ενεργεί για να μειώσει την ενέργεια ενεργοποίησης. Με άλλα λόγια, ένας καταλύτης είναι και α αντιδραστήριο και προϊόν μιας χημικής αντίδρασης. Τυπικά, μόνο μια πολύ μικρή ποσότητα καταλύτη απαιτείται για να καταλύω μια αντίδραση.
Η μονάδα SI για την κατάλυση είναι το katal. Αυτή είναι μια παραγόμενη μονάδα που είναι γραμμομόρια ανά δευτερόλεπτο. Όταν τα ένζυμα καταλύουν μια αντίδραση, η προτιμώμενη μονάδα είναι η μονάδα ενζύμου. Η αποτελεσματικότητα ενός καταλύτη μπορεί να εκφραστεί χρησιμοποιώντας τον αριθμό κύκλου (ΤΟΝ) ή την συχνότητα κύκλου (TOF), η οποία είναι ΤΟΝ ανά μονάδα χρόνου.
Η κατάλυση είναι μια ζωτικής σημασίας διαδικασία στη χημική βιομηχανία. Εκτιμάται ότι το 90% των εμπορικά παραγόμενων χημικών ουσιών συντίθενται μέσω καταλυτικής διαδικασίας.
Μερικές φορές ο όρος "κατάλυση" χρησιμοποιείται για να αναφερθεί σε μια αντίδραση στην οποία καταναλώνεται μια ουσία (π.χ., καταλυόμενη με βάση υδρολύση εστέρα). Σύμφωνα με την
IUPAC, πρόκειται για εσφαλμένη χρήση του όρου. Σε αυτή την περίπτωση, η ουσία που προστίθεται στην αντίδραση πρέπει να ονομάζεται ενεργοποιός παρά ως καταλύτης.Βασικά Takeaways: Τι είναι η κατάλυση;
- Η κατάλυση είναι η διαδικασία αύξησης της ταχύτητας μιας χημικής αντίδρασης με την προσθήκη ενός καταλύτη σε αυτήν.
- Ο καταλύτης είναι τόσο αντιδραστήριο όσο και προϊόν στην αντίδραση, επομένως δεν καταναλώνεται.
- Η κατάλυση λειτουργεί μειώνοντας την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης, καθιστώντας την πιο θερμοδυναμικά ευνοϊκή.
- Η κατάλυση είναι σημαντική! Περίπου το 90% των εμπορικών χημικών ουσιών παρασκευάζονται χρησιμοποιώντας καταλύτες.
Πώς λειτουργεί η Κατάλυση
Ένας καταλύτης προσφέρει μια διαφορετική κατάσταση μετάβασης για μια χημική αντίδραση, με χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης. Οι συγκρούσεις μεταξύ των αντιδρώντων μορίων είναι πιο πιθανό να επιτύχουν την ενέργεια που απαιτείται για να σχηματίσουν προϊόντα παρά χωρίς την παρουσία του καταλύτη. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα αποτέλεσμα της κατάλυσης είναι η μείωση της θερμοκρασίας στην οποία θα υποστεί επεξεργασία μια αντίδραση.
Η κατάλυση δεν μεταβάλλει τη χημική ισορροπία επειδή επηρεάζει τόσο τον εμπρόσθιο όσο και τον αντίστροφο ρυθμό αντίδρασης. Δεν αλλάζει τη σταθερά ισορροπίας. Ομοίως, η θεωρητική απόδοση μιας αντίδρασης δεν επηρεάζεται.
Παραδείγματα καταλυτών
Μια μεγάλη ποικιλία χημικών ουσιών μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καταλύτης. Για χημικές αντιδράσεις που αφορούν το νερό, όπως π.χ. υδρόλυση και αφυδάτωση, τα οξέα πρωτονίων χρησιμοποιούνται συνήθως. Τα στερεά που χρησιμοποιούνται ως καταλύτες περιλαμβάνουν ζεόλιθους, αλουμίνα, γραφιτικό άνθρακα και νανοσωματίδια. Μεταβατικά μέταλλα (π.χ. νικέλιο) χρησιμοποιούνται συχνότερα για να καταλύουν τις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Οι αντιδράσεις οργανικής σύνθεσης μπορούν να καταλυθούν χρησιμοποιώντας ευγενή μέταλλα ή "μεταβατικά μεταβατικά μέταλλα", όπως πλατίνα, χρυσό, παλλάδιο, ιρίδιο, ρουθήνιο ή ρόδιο.
Τύποι καταλυτών
Οι δύο κύριες κατηγορίες καταλυτών είναι ετερογενείς καταλύτες και ομοιογενείς καταλύτες. Τα ένζυμα ή οι βιοκαταλύτες μπορούν να θεωρηθούν ως ξεχωριστή ομάδα ή ως μέλη μιας από τις δύο κύριες ομάδες.
Ετερογενείς καταλύτες είναι εκείνα που υπάρχουν σε διαφορετική φάση από την καταλυόμενη αντίδραση. Για παράδειγμα, οι στερεοί καταλύτες που καταλύουν μια αντίδραση σε ένα μίγμα υγρών ή / και αερίων είναι ετερογενείς καταλύτες. Η επιφάνεια είναι κρίσιμη για τη λειτουργία αυτού του τύπου καταλύτη.
Ομοιογενείς καταλύτες υπάρχουν στην ίδια φάση με τα αντιδραστήρια στη χημική αντίδραση. Οι οργανομεταλλικοί καταλύτες είναι ένας τύπος ομοιογενούς καταλύτη.
Ένζυμα είναι καταλύτες με βάση την πρωτεΐνη. Είναι ένας τύπος βιοκαταλύτη. Τα διαλυτά ένζυμα είναι ομοιογενείς καταλύτες, ενώ τα ενωμένα με μεμβράνη ένζυμα είναι ετερογενείς καταλύτες. Η βιοκατάλυση χρησιμοποιείται για εμπορική σύνθεση ακρυλαμιδίου και σιροπιού αραβοσίτου υψηλής φρουκτόζης.
Σχετικοί όροι
Προκαταλύτες είναι ουσίες που μετατρέπονται για να γίνουν καταλύτες κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης. Μπορεί να υπάρχει μια περίοδος επαγωγής, ενώ οι προκαταλύτες ενεργοποιούνται για να γίνουν καταλύτες.
Συν-καταλύτες και υποστηρικτές είναι ονόματα που δίδονται σε χημικά είδη που βοηθούν την καταλυτική δραστηριότητα. Όταν χρησιμοποιούνται αυτές οι ουσίες, ονομάζεται η διαδικασία συνεταιριστική κατάλυση.
Πηγές
- IUPAC (1997). Συμπλήρωμα χημικής ορολογίας (2η έκδοση) (το "Χρυσό Βιβλίο"). doi:10.1351 / goldbook. C00876
- Knözinger, Helmut και Kochloefl, Karl (2002). "Ετερογενής κατάλυση και στερεοί καταλύτες" στο Η Εγκυκλοπαίδεια της Βιομηχανικής Χημείας του Ullmann. Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002 / 14356007.α05_313
- Laidler, Κ.Ι. και Meiser, J.H. (1982). Φυσική χημεία. Benjamin / Cummings. ISBN 0-618-12341-5.
- Masel, Richard I. (2001). Χημική Κινητική και Κατάλυση. Wiley-Interscience, Νέα Υόρκη. ISBN 0-471-24197-0.
- Matthiesen J, Wendt S, Hansen J, Madsen GK, Lira Ε, Galliker Ρ, Vestergaard EK, Schaub R, Laegsgaard Ε, Hammer Β, Besenbacher F (2009). "Παρατήρηση όλων των ενδιάμεσων βημάτων μιας χημικής αντίδρασης σε μια επιφάνεια οξειδίου με σάρωση μικροσκοπίας σήραγγας". ACS Nano. 3 (3): 517–26. doi:10.1021 / nn8008245