Καταλύτης

Ο καταλύτης είναι μια ουσία που επιταχύνει τις χημικές αντιδράσεις. Τα μόρια που συνήθως χρειάζονταν χρόνια για να αντιδράσουν μπορούν τώρα να το κάνουν σε δευτερόλεπτα χάρη στη βοήθεια ενός καταλύτη. Οι καταλύτες χρησιμοποιούνται στην κατασκευή όλων, από πλαστικά έως φαρμακευτικά προϊόντα. Οι καταλύτες βοηθούν στη μετατροπή του πετρελαίου και του άνθρακα σε υγρά καύσιμα. Είναι οι κορυφαίοι παίκτες στον τομέα της καθαρής ενέργειας. Τα ένζυμα, τα οποία είναι φυσικοί καταλύτες στο σώμα, παίζουν επίσης καθοριστικό ρόλο στη δυσπεψία και σε άλλες διαδικασίες.

Τα ένζυμα είναι οι φυσικοί καταλύτες της βιολογίας. Εμπλέκονται σε οτιδήποτε, από την αντιγραφή του γενετικού υλικού μέχρι τη διάσπαση των τροφίμων και των θρεπτικών συστατικών. Οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν συχνά καταλύτες για να επιταχύνουν τις βιομηχανικές διαδικασίες.

Μονάδα καταλύτη:

Το katal, το οποίο μετράται σε moles ανά δευτερόλεπτο, είναι μια μονάδα που προέρχεται από το SI για την αξιολόγηση της καταλυτικής δραστηριότητας ενός καταλύτη. Ο αριθμός κύκλου εργασιών, ή TON, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό της παραγωγικότητας ενός καταλύτη και η συχνότητα κύκλου εργασιών (TOF), η μονάδα TON/χρόνος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει τη δράση αυτής της ουσίας. Η μονάδα ενζύμου είναι το βιοχημικό ισοδύναμο.

Μηχανισμός αντίδρασης καταλύτη:

Οι χημικές αντιδράσεις είναι γενικά ταχύτερες όταν υπάρχει καταλύτης επειδή ο καταλύτης παρέχει διαφορετικό μηχανισμό αντίδρασης με χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης από τον μη καταλυόμενο μηχανισμό. Ο καταλύτης στους καταλυόμενους μηχανισμούς συνήθως αντιδρά για να δημιουργήσει ένα ενδιάμεσο, το οποίο στη συνέχεια αναγεννά τον αρχικό καταλύτη.

Οι καταλύτες αντιδρούν με ένα ή πολλά αντιδρώντα για να παράγουν ενδιάμεσα, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του τελικού προϊόντος αντίδρασης. Ο καταλύτης αναπληρώνεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας. Θεωρητικά, μικροσκοπικές ποσότητες καταλυτών είναι γενικά απαραίτητες για την ενίσχυση του ρυθμού αντίδρασης. Από την άλλη πλευρά, οι Καταλύτες μπορεί να είναι αργοί ή ακόμη και να καταναλωθούν σε διάφορες διαδικασίες στην πράξη.

Ταξινόμηση καταλυτών:

Υπάρχουν τρεις κύριες ταξινομήσεις καταλυτών. Είναι οι εξής:

1. Ετερογενής καταλύτης-

Ο καταλύτης στην ετερογενή κατάλυση βρίσκεται σε διαφορετική φάση από τα αντιδρώντα. Σε μια φυσική διαδικασία γνωστή ως προσρόφηση, τουλάχιστον ένα από τα αντιδρώντα του αλληλεπιδρά με τη στερεά επιφάνεια, έτσι ώστε ένας χημικός δεσμός στο αντιδραστήριο σπάει μετά την αποδυνάμωση. Τα δηλητήρια είναι χημικές ουσίες που συνδέονται αμετάκλητα με τους καταλύτες, περιορίζοντας την προσρόφηση των αντιδρώντων και μειώνοντας ή εξαλείφοντας την απόδοση του καταλύτη.

Η επαφή του αερίου υδρογόνου με την επιφάνεια του μετάλλου είναι περίπτωση ετερογενούς κατάλυσης. Μεμονωμένα προσροφημένα άτομα υδρογόνου σχηματίζονται στην επιφάνεια του μετάλλου όταν σπάνε οι δεσμοί υδρογόνου-υδρογόνου. Επειδή τα προσροφημένα άτομα μπορούν να κινηθούν γύρω από την επιφάνεια, δύο άτομα υδρογόνου μπορεί να αλληλεπιδράσουν και να παράγουν ένα μόριο αερίου υδρογόνου, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να αφαιρεθεί

2. Ομογενής καταλύτης-

Ο καταλύτης και το αντιδρόν βρίσκονται στην ίδια φάση σε ομοιογενή κατάλυση. Επειδή ο καταλύτης εξαπλώνεται ομοιόμορφα σε όλο το μείγμα της αντίδρασης, η συχνότητα των συγκρούσεων μεταξύ των αντιδρώντων και των καταλυτών είναι στο υψηλό όλων των εποχών. Τα σύμπλοκα μετάλλων μεταπτώσεως αποτελούν πολλούς ομοιογενείς καταλύτες στη βιομηχανία, ωστόσο, η ανάκτηση αυτών των ακριβών καταλυτών από το διάλυμα έχει αποδειχθεί δύσκολη. Πολλοί ομοιογενείς καταλύτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο σε χαμηλές θερμοκρασίες, και ακόμη και τότε, αποσυντίθενται αργά σε διάλυμα. Αυτός είναι ένας επιπλέον περιορισμός στην ευρεία εμπορική χρήση τους. Παρά τα προβλήματα αυτά, πρόσφατα δημιουργήθηκαν ορισμένες εμπορικά βιώσιμες τεχνικές.

3. Καταλύτης ενζύμων –

Τα ένζυμα, ή καταλύτες, είναι σχεδόν όλα τα μόρια πρωτεΐνης με μοριακό βάρος 20.000–100.000 amu που υπάρχουν φυσικά σε ζωντανούς οργανισμούς. Μερικοί είναι ομοιογενείς καταλύτες που ενεργοποιούνται σε ένα υδατικό διάλυμα μέσα στο κυτταρικό διαμέρισμα ενός οργανισμού. Άλλοι είναι ετερογενείς καταλύτες που βρίσκονται στις μεμβράνες που διαιρούν τα κύτταρα και τα κυτταρικά διαμερίσματα από τον υπόλοιπο κόσμο. Ένα υπόστρωμα συμμετέχει σε μια διαδικασία που καταλύεται από ένζυμα. Τα ένζυμα αποτελούν αντικείμενο συνεχιζόμενης έρευνας επειδή μπορεί να αυξήσουν δραματικά τους ρυθμούς αντίδρασης και συχνά είναι πολύ επιλεκτικά, απελευθερώνοντας μόνο ένα στοιχείο σε ποσοτική απόδοση. Τα ένζυμα, από την άλλη πλευρά, είναι συχνά δαπανηρά να ληφθούν, σταματούν να λειτουργούν σε θερμοκρασίες άνω των 37 °C, έχουν περιορισμένη σταθερότητα στο διάλυμα και έχουν τόσο καλή εκλεκτικότητα που περιορίζονται στη μετατροπή ενός σετ προϊόντων από ένα σύνολο αντιδραστηρίων. Αυτό σημαίνει ότι για χημικά συγκρίσιμες αντιδράσεις, πρέπει να δημιουργηθούν εναλλακτικές διαδικασίες που περιλαμβάνουν διάφορα ένζυμα, και αυτό είναι χρονοβόρο και δαπανηρό.

Σημασία των καταλυτών:

• Παραγωγή εκλεκτών χημικών ουσιών:

Η κατάλυση χρησιμοποιείται για την παρασκευή μιας ποικιλίας εκλεκτών χημικών ουσιών. Οι μέθοδοι περιλαμβάνουν λειτουργίες βαριάς βιομηχανίας καθώς και πιο εξειδικευμένες διαδικασίες που θα ήταν εξαιρετικά δαπανηρές σε μεγάλη κλίμακα. Η αντίδραση Heck είναι ένα παράδειγμα. Επειδή τα περισσότερα βιοδραστικά μόρια είναι χειρόμορφα, η εναντιοεκλεκτική κατάλυση ή η καταλυτική ασύμμετρη σύνθεση χρησιμοποιείται για την παρασκευή πολλών φαρμάκων.

• Επεξεργασία τροφίμων:

Η υδρογόνωση (αλληλεπίδραση με αέριο υδρογόνο) των λιπών με καταλύτη νικελίου για τη δημιουργία μαργαρίνης είναι μια από τις πιο ορατές εφαρμογές της κατάλυσης. Η βιοκατάλυση χρησιμοποιείται επίσης για την παρασκευή μιας ποικιλίας άλλων τροφίμων.

• Επεξεργασία καυσίμων:

Η αλκυλίωση, η καταλυτική πυρόλυση (η οποία διασπά τους υδρογονάνθρακες μακράς αλυσίδας σε μικρότερα κομμάτια), η αναμόρφωση της νάφθας και η αναμόρφωση με ατμό χρησιμοποιούνται ευρέως στη διύλιση πετρελαίου (μετατροπή υδρογονανθράκων σε αέριο σύνθεσης). Η κατάλυση χρησιμοποιείται για την αντιμετώπιση ακόμη και των εκπομπών από την καύση ορυκτών καυσίμων:Οι καταλυτικοί μετατροπείς, οι οποίοι συνήθως είναι κατασκευασμένοι από πλατίνα και ρόδιο, χρησιμοποιούνται για τη διάσπαση ορισμένων από τα πιο επικίνδυνα εξαρτήματα της εξάτμισης του αυτοκινήτου.

Συμπέρασμα:

Οι καταλύτες επιταχύνουν μια χημική αντίδραση συμμετέχοντας σε αυτήν. Δεν εμφανίζονται στην καθαρή εξίσωση της αντίδρασης και δεν καταναλώνονται κατά τη διάρκεια αυτής. Οι καταλύτες επιτρέπουν να λάβει χώρα μια αντίδραση μέσω μιας οδού με ελάχιστη ενέργεια από την αντίδραση που δεν τους χρησιμοποιεί. Οι καταλύτες σε ετερογενή κατάλυση παρέχουν μια πλατφόρμα στην οποία συνδέονται τα αντιδρώντα σε μια διαδικασία προσρόφησης. Οι καταλύτες και τα αντιδρώντα βρίσκονται στο ίδιο στάδιο στην ομοιογενή κατάλυση. Τα ένζυμα είναι καταλύτες που ενισχύουν δραματικά τις ταχύτητες αντίδρασης και συχνά επιλέγονται για συγκεκριμένα αντιδρώντα και προϊόντα. Ένα υπόστρωμα είναι ένα αντιδραστήριο σε μια διαδικασία που καταλύεται από ένζυμα. Ο χρόνος απόκρισης μιας καταλυόμενης από ένζυμα αντίδρασης επιβραδύνεται από αναστολείς ενζύμου.