Katalüüs on määratletud kui suurendamine keemilise reaktsiooni kiirus tutvustades katalüsaator. Katalüsaator on omakorda aine, mida organism ei tarbi keemiline reaktsioon, kuid vähendab seda aktiveerimise energia. Teisisõnu, katalüsaator on mõlemad a reagent ja toode keemilise reaktsiooni. Tavaliselt on selleks vaja ainult väga väikest kogust katalüsaatorit katalüüsima reaktsioon.
Katalüüsi SI ühik on katal. See on tuletatud ühik, mis on mool sekundis. Kui ensüümid katalüüsivad reaktsiooni, on eelistatud ühik ensüümiühik. Katalüsaatori tõhusust võib väljendada käibe numbri (TON) või käibe sageduse (TOF) abil, mis on TON ajaühiku kohta.
Katalüüs on keemiatööstuses ülioluline protsess. Arvatakse, et 90% kaubanduslikult toodetud kemikaalidest sünteesitakse katalüütilise protsessi abil.
Mõnikord kasutatakse terminit "katalüüs" reaktsiooni jaoks, milles ainet tarbitakse (nt aluse poolt katalüüsitud estri hüdrolüüs). Vastavalt IUPAC, see on termini vale kasutamine. Selles olukorras tuleks reaktsioonile lisatud ainet nimetada aineks aktivaator pigem katalüsaatorina.
Peamised võtmed: mis on katalüüs?
- Katalüüs on keemilise reaktsiooni kiiruse suurendamise protsess, lisades sellele katalüsaatori.
- Katalüsaator on reaktsioonis nii reaktiiv kui ka produkt, seega seda ei kulutata.
- Katalüüs vähendab reaktsiooni aktiveerimisenergiat, muutes selle termodünaamiliselt soodsamaks.
- Katalüüs on oluline! Umbes 90% kaubanduskemikaalidest valmistatakse katalüsaatorite abil.
Kuidas katalüüs töötab?
Katalüsaator pakub keemiliseks reaktsiooniks teistsugust üleminekuasendit, madalama aktiveerimisenergiaga. Reaktiivsete molekulide vahelised kokkupõrked saavutavad produktide moodustamiseks vajaliku energia tõenäolisemalt kui ilma katalüsaatori juuresolekuta. Mõnel juhul on katalüüsi üheks efektiks temperatuuri alandamine, mille juures reaktsioon toimub.
Katalüüs ei muuda keemilist tasakaalu, kuna mõjutab nii reaktsiooni kiirust edasi kui ka tagasi. See ei muuda tasakaalukonstanti. Samamoodi ei mõjuta reaktsiooni teoreetilist saagist.
Katalüsaatorite näited
Katalüsaatoritena võib kasutada mitmesuguseid kemikaale. Veega seotud keemiliste reaktsioonide jaoks, näiteks hüdrolüüs ja dehüdratsiooni korral kasutatakse tavaliselt prootonhappeid. Katalüsaatoritena kasutatavate tahkete ainete hulka kuuluvad tseoliitid, alumiiniumoksiid, grafiitne süsinik ja nanoosakesed. Redoksreaktsioonide katalüüsimiseks kasutatakse kõige sagedamini siirdemetalle (nt niklit). Orgaanilise sünteesi reaktsioone saab katalüüsida väärismetallide või "hilise siirdemetallide", näiteks plaatina, kulla, pallaadiumi, iriidiumi, ruteeniumi või roodiumi abil.
Katalüsaatorite tüübid
Kaks peamist katalüsaatorikategooriat on heterogeensed katalüsaatorid ja homogeensed katalüsaatorid. Ensüüme või biokatalüsaatoreid võib vaadelda eraldi rühmana või ühte kahest põhirühmast kuuluvana.
Heterogeensed katalüsaatorid on need, mis esinevad erinevas faasis kui katalüüsitav reaktsioon. Näiteks tahked katalüsaatorid katalüüsivad reaktsiooni vedelike ja / või gaaside segus, mis on heterogeensed katalüsaatorid. Pindala on seda tüüpi katalüsaatori toimimiseks kriitiline.
Homogeensed katalüsaatorid esinevad keemilises reaktsioonis reagentidega samas faasis. Metallorgaanilised katalüsaatorid on üht tüüpi homogeensed katalüsaatorid.
Ensüümid on valgupõhised katalüsaatorid. Neid on ühte tüüpi biokatalüsaator. Lahustuvad ensüümid on homogeensed katalüsaatorid, membraaniga seotud ensüümid aga heterogeensed katalüsaatorid. Biokatalüüsi kasutatakse akrüülamiidi ja kõrge fruktoosisisaldusega maisisiirupi kaubanduslikul sünteesil.
Seotud tingimused
Eelkatalüsaatorid on ained, mis muutuvad keemilise reaktsiooni käigus katalüsaatoriteks. Eelkatalüsaatorite aktiveerimisel katalüsaatoriteks võib olla induktsiooniperiood.
Kaaskatalüsaatorid ja promootorid on keemilistele liikidele antud nimed, mis abistavad katalüütilist aktiivsust. Nende ainete kasutamisel nimetatakse seda protsessi ühistu katalüüs.
Allikad
- IUPAC (1997). Keemilise terminoloogia kogumik (2. trükk) ("Kullaraamat"). doi:10.1351 / kuldraamat. C00876
- Knözinger, Helmut ja Kochloefl, Karl (2002). "Heterogeenne katalüüs ja tahked katalüsaatorid" Ullmanni tööstuskeemia entsüklopeedia. Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002 / 14356007.a05_313
- Laidler, K.J. ja Meiser, J.H. (1982). Füüsikaline keemia. Benjamin / Cummings. ISBN 0-618-12341-5.
- Masel, Richard I (2001). Keemiline kineetika ja katalüüs. Wiley-Interscience, New York. ISBN 0-471-24197-0.
- Matthiesen J, Wendt S, Hansen JØ, Madsen GK, Lira E, Galliker P, Vestergaard EK, Schaub R, Laegsgaard E, Hammer B, Besenbacher F (2009). "Oksiidpinnal esineva keemilise reaktsiooni kõigi vaheetappide vaatlemine tunnelmikroskoopia abil." ACS Nano. 3 (3): 517–26. doi:10.1021 / nn8008245