Katalyzátory v chemii. Co jsou? Jaké jsou jejich typy?

Jaké látky mohou být katalyzátory?

Chemické procesy a reakce, které jsou katalyzovány, probíhají v přítomnosti určitých specifických látek nazývaných katalyzátory. Jejich primárním úkolem v systémech je snížit aktivační energii, což přímo zvyšuje rychlost procesu. Výběr katalyzátoru je klíčovou otázkou, na které závisí například účinnost procesu. Jako katalyzátory se obvykle používají specifické chemické sloučeniny nebo systémy typu jádro-plášť. Základní vlastnosti katalyzátorů a jejich funkce v systémech:

• Přítomnost katalyzátoru v reakci není zahrnuta v molekulární rovnici chemické reakce , protože nereaguje se substráty nebo produkty .
• Jakmile reakce skončí, katalyzátor se izoluje. Katalytickou reakci lze tedy popsat jako cyklickou.
• Katalyzátor by měl být snadno oddělitelný od získaných produktů chemické reakce.
• Katalyzátor nijak neovlivňuje rovnovážný stav reakce a nemění tedy její termodynamiku.
• Katalyzátory musí mít tři základní vlastnosti: vysokou aktivitu, vysokou selektivitu a stabilitu v čase.
• Katalyzátory musí splňovat řadu základních předpokladů o jejich složení, včetně správné velikosti pórů, krystalické fáze, pevnosti v tlaku, stupně redukce, fluidizačních vlastností, opotřebení, průměrného chemického složení, efektivního povrchu, velikosti zrna a dalších.

Čtěte také: katalýza .

Příklady katalyzátorů

Kovy

Kovy jsou velmi dobré katalyzátory, které se snadno používají v průmyslu. Přechodné kovy přitahují zvláštní zájem, protože mohou existovat ve dvou nebo více oxidačních stavech, např. železo v oxidu železitém (II) nebo oxidu železitém (III). Tyto kovy mají neúplně vyplněné d orbitaly, což jim umožňuje snadno darovat a přijímat elektrony z jiných molekul. V posledních letech nabývají na významu katalyzátory tvořené na bázi kovových nanočástic díky svým jedinečným vlastnostem. Platina – Kov používaný např. při hydrogenaci funkčních skupin nebo dehydrogenačních procesech v organické syntéze. Látka je chemicky inertní a stabilní v oxidačním prostředí a má vysoký obsah vlhkosti. Při teplotách nad 450 ᵒC se na jeho povrchu vytvoří film oxidu platičitého . Platina ve sloučeninách se vyskytuje v několika oxidačních stavech, ale obvykle jako katalyzátor nabývá hodnot II nebo IV. Kromě využití v chemické technologii se platina používá také v automobilových katalyzátorech. Má schopnost vázat atomy kyslíku na toxický oxid uhličitý ve výfukových plynech vozidla. Tím vzniká podstatně méně škodlivého oxidu uhličitého. Palladium – Palladiové katalyzátory se účastní řady organických reakcí, jako je cyklizace, hydrogenace, oxidace, izomerizace, radikálové reakce a další. Vykazují vysokou toleranci k různým funkčním skupinám a jsou často schopny poskytnout vynikající stereoselektivitu, což pomáhá vyhnout se potřebě specifických ochranných skupin . Kromě toho jsou palladiové katalyzátory zvláště účinné, např. při selektivní hydrogenaci, což umožňuje získat požadované produkty v jediném reakčním cyklu. Nikl – Jako katalyzátor hraje nikl klíčovou roli v mnoha organických přeměnách, jako je oxidace, redukce, cyklizace, tvorba vazby uhlík-heteroatom a další. Ve sloučeninách II, III a IV se vyskytuje v několika oxidačních stavech. Nikl je relativně reaktivní prvek a zároveň vykazuje vysokou chemickou stabilitu. Tento kov má velkou výhodu – je levnější než jiné katalyzátory na bázi přechodných kovů, a proto se často používá jako alternativa k palladiovým, např. při kopulačních reakcích. Zlato – Některé katalytické reakce se provádějí v přítomnosti zlata. Jeho katalytická aktivita je silně závislá na velikosti a struktuře krystalitů. Jejich účinek závisí také na způsobu přípravy. Zlaté katalyzátory jsou obvykle konglomeráty tohoto prvku spolu s vhodným nosičem, který například dodává dostatek kyslíku pro další zvýšení aktivity zlata. Komplexy tohoto kovu jsou velmi dobrými katalyzátory vazebných vazeb uhlík-uhlík, uhlík-dusík nebo uhlík-kyslík, protože mohou snadno aktivovat dvojné a trojné vazby např. v uhlíkových řetězcích. Příklady reakcí katalyzovaných zlatem zahrnují oxidaci oxidu uhelnatého, oxidaci alkoholů a aldehydů , epoxidační reakce, hydrogenaci aldehydů a další.

Anorganické sloučeniny

Anorganické sloučeniny, zejména oxidy kovů a nekovů, vybrané soli a kyseliny jsou příklady anorganických katalyzátorů. Typicky jsou tyto látky nanášeny na speciální nosiče, což jsou porézní materiály (např. uhlík, oxid křemičitý nebo oxid hlinitý), které podporují jejich katalytické vlastnosti (čím větší je povrch nosiče, tím větší je kontaktní plocha mezi reaktanty). Důležitým aspektem při výběru anorganické sloučeniny jako katalyzátoru je řídit se počtem aktivních center, které má. Přítomnost velkého počtu aktivních center, na která se vážou reaktanty účastnící se katalyzované reakce, zvyšuje výtěžek reakce. Oxid vanadičitý – Katalyzátory s V ₂ O ₅ jako hlavní složkou jsou účinné téměř ve všech oxidačních reakcích. Hrají důležitou roli v dnešním chemickém průmyslu . Jednou z nejdůležitějších aplikací těchto katalyzátorů je výroba kyseliny sírové. Oxid vanadičný katalyzuje reakci oxidace oxidu sírového na oxid sírový, který je poté absorbován do kyseliny sírové. V těchto procesech je vanadový katalyzátor označován jako tzv. kontaktní, protože je v jiné fázi než ostatní reaktanty. V průmyslu se obvykle používá ve formě nosiče s aktivní fází nanesenou na jeho povrchu. Mezi jeho hlavní přednosti patří nízký bod vzplanutí, stabilita během procesu nebo vysoký koeficient absorpce prachu. Kromě výroby kyseliny sírové se oxid vanadičný používá také jako katalyzátor při výrobě kaučuku, krakování ropy a syntéze některých vysokomolekulárních sloučenin. Chlorid hlinitý – Nejběžnějším použitím chloridu hlinitého jako katalyzátoru v organické syntéze je Friedel-Craftsova alkylační reakce. AlCl ₃ je v jiném stavu agregace (pevná fáze) než ostatní reaktanty, takže v tomto případě jde o heterogenní katalýzu. Její katalytické vlastnosti jsou založeny především na tom, že jde o tzv. Lewisovu kyselinu co do chemické struktury a vlastností. Jeho hlavním rysem je jeho schopnost přijímat elektronové páry z Lewisových bází. Chlorid hlinitý jako katalyzátor a Lewisova kyselina se slučuje s vybranými molekulami nebo jejich fragmenty, načež se tvoří přechodové komplexy a následně se rozkládají na karbokationty. Kyselina sírová – Kyselina sírová vykazuje katalytické vlastnosti i v malých množstvích pro vybrané chemické reakce. Příklady takové transformace zahrnují esterifikační reakci kyseliny octové s ethanolem nebo nitrační reakci aromatických sloučenin. Kyselina pak působí jako homogenní katalyzátor a je tedy v systému ve stejné fázi jako ostatní reaktanty. Jako velmi silná kyselina, když je zavedena do reakčního prostředí, uvolňuje vodíkové ionty, které pohánějí procesy. Kromě toho je další vlastností kyseliny sírové její hygroskopičnost. Molekuly vody vzniklé při esterifikačním procesu jsou vázány kyselinou a tím se posouvá rovnováha, čímž vzniká více produktů. Pamatujte však, že to nevyplývá z katalýzy reakce, ale je to pouze v důsledku posunu v rovnovážném stavu.

Biokatalyzátory

Biokatalyzátory jsou chemické sloučeniny, které katalyzují reakce, které se vyskytují a vznikají v lidském těle. Jsou rozhodujícími prvky všech biochemických přeměn. Nejenže urychlují takové přeměny, ale také vykazují určitou selektivitu při katalýze vybraných reakcí. Zdaleka největší skupinou biokatalyzátorů jsou enzymy, včetně neproteinových katalyzátorů, konkrétně ribozymy. Jejich specifickou vlastností je autokatalytická schopnost. Enzymy – Jedná se o vysoce selektivní katalyzátory, které výrazně zvyšují jak rychlost, tak selektivitu metabolických reakcí. Účastní se všech chemických reakcí organismu. Jako organické katalyzátory (nebo jinak biokatalyzátory) jsou enzymy produkovány buňkami. Mohou to být jednoduché proteiny i složité proteiny. Vyznačují se přítomností dvou skupin: protetické skupiny a aofermentu. Enzymy katalyzují reakce oxidace a redukce komplexních organických sloučenin, přenos funkčních skupin, hydrolýzu vazeb různých typů, destrukci chemických vazeb, změnu izomerizace molekul nebo tvorbu nových kovalentních vazeb. Jejich roli v lidském těle nelze přeceňovat. Účastní se prakticky všech životně důležitých procesů, jak anabolických, tak katabolických. Katalyzováním vybraných reakcí významně ovlivňují směr metabolických drah v organismu.