Katalysatoren in de chemie. Wat zijn ze? Wat zijn hun typen?

Welke stoffen kunnen katalysatoren zijn?

Chemische processen en reacties die worden gekatalyseerd, vinden plaats in de aanwezigheid van bepaalde specifieke stoffen die katalysatoren worden genoemd. Hun primaire taak in systemen is het verminderen van de activeringsenergie, wat de snelheid van het proces direct verhoogt. De keuze van een katalysator is een sleutelvraagstuk waarvan bijvoorbeeld de procesefficiëntie afhangt. Als katalysatoren worden doorgaans specifieke chemische verbindingen of systemen van het core-shell-type gebruikt. Basiskenmerken van katalysatoren en hun functies in systemen:

• De aanwezigheid van een katalysator in een reactie is niet opgenomen in de moleculaire vergelijking van een chemische reactie, omdat deze niet reageert met de substraten of producten .
• Zodra de reactie voorbij is, wordt de katalysator teruggewonnen. De katalytische reactie kan dus als cyclisch worden omschreven.
• De katalysator moet gemakkelijk te scheiden zijn van de verkregen producten van de chemische reactie.
• De katalysator heeft op geen enkele manier invloed op de evenwichtstoestand van de reactie en verandert daarom de thermodynamica niet.
• Katalysatoren moeten drie basiskenmerken hebben: hoge activiteit, hoge selectiviteit en stabiliteit in de tijd.
• Katalysatoren moeten voldoen aan een aantal basisaannames over hun samenstelling, waaronder de juiste poriegrootte, kristallijne fase, breeksterkte, mate van reductie, fluïdisatie-eigenschappen, draagbaarheid, gemiddelde chemische samenstelling, effectief oppervlak, korrelgrootte en andere.

Lees ook: katalyse .

Voorbeelden van katalysatoren

Metalen

Metalen zijn zeer goede katalysatoren die gemakkelijk in de industrie worden gebruikt. Overgangsmetalen zijn bijzonder interessant omdat ze in twee of meer oxidatietoestanden kunnen voorkomen, bijvoorbeeld ijzer in ijzer(II)oxide of ijzer(III)oxide. Deze metalen hebben onvolledig gevulde d-orbitalen, waardoor ze gemakkelijk elektronen van andere moleculen kunnen doneren en accepteren. De afgelopen jaren zijn katalysatoren gevormd op basis van metallische nanodeeltjes steeds belangrijker geworden vanwege hun unieke eigenschappen. Platina – Een metaal dat bijvoorbeeld wordt gebruikt bij de hydrogenering van functionele groepen of bij dehydrogenering van organische syntheses. De stof is chemisch inert en stabiel in oxiderende omgevingen en heeft een hoog vochtgehalte. Bij temperaturen boven de 450 ᵒC vormt zich op het oppervlak een laagje platinadioxide . Platina komt in verbindingen voor in verschillende oxidatietoestanden, maar neemt als katalysator gewoonlijk de waarden II of IV aan. Naast het gebruik ervan in de chemische technologie wordt platina ook gebruikt in autokatalysatoren. Het heeft het vermogen om zuurstofatomen te binden aan het giftige koolstof(II)oxide in de uitlaatgassen van voertuigen. Dit produceert aanzienlijk minder schadelijke kooldioxide. Palladium – Palladiumkatalysatoren zijn betrokken bij een reeks organische reacties, zoals cyclisatie, hydrogenering, oxidatie, isomerisatie, radicaalreacties en andere. Ze vertonen een hoge tolerantie voor verschillende functionele groepen en zijn vaak in staat om uitstekende stereoselectiviteit te bieden, waardoor de noodzaak voor specifieke beschermende groepen wordt vermeden . Bovendien zijn palladiumkatalysatoren bijzonder effectief, bijvoorbeeld bij selectieve hydrogenering, waardoor het mogelijk wordt om de gewenste producten in één enkele reactiecyclus te verkrijgen. Nikkel – Als katalysator speelt nikkel een sleutelrol bij veel organische transformaties, zoals oxidatie, reductie, cyclisatie, vorming van koolstof-heteroatoombindingen en andere. Het komt voor in verschillende oxidatietoestanden in verbindingen II, III en IV. Nikkel is een relatief reactief element, maar vertoont ook een hoge chemische stabiliteit. Dit metaal heeft een groot voordeel: het is goedkoper dan andere transitiemetaalkatalysatoren. Daarom wordt het vaak gebruikt als alternatief voor palladiumkatalysatoren, bijvoorbeeld bij koppelingsreacties. Goud – Sommige katalytische reacties worden uitgevoerd in de aanwezigheid van goud. De katalytische activiteit is sterk afhankelijk van de grootte en structuur van de kristallieten. Hun effect hangt ook af van de bereidingswijze. Goudkatalysatoren zijn doorgaans conglomeraten van dit element samen met een geschikte drager, die bijvoorbeeld voldoende zuurstof levert om de activiteit van goud verder te verhogen. Complexen van dit metaal zijn zeer goede katalysatoren voor koolstof-koolstof-, koolstof-stikstof- of koolstof-zuurstof-bindingsvormende reacties, omdat ze gemakkelijk dubbele en drievoudige bindingen kunnen activeren, bijvoorbeeld in koolstofketens. Voorbeelden van door goud gekatalyseerde reacties zijn onder meer de oxidatie van koolstof(II)oxide, de oxidatie van alcoholen en aldehyden , epoxidatiereacties, hydrogenering van aldehyden en andere.

Anorganische verbindingen

Anorganische verbindingen, in het bijzonder metaal- en niet- metaaloxiden , geselecteerde zouten en zuren zijn voorbeelden van anorganische katalysatoren. Meestal worden deze stoffen afgezet op speciale dragers, dit zijn poreuze materialen (bijvoorbeeld koolstof, silica of aluminiumoxide) die hun katalytische eigenschappen ondersteunen (hoe groter het oppervlak van de drager, hoe groter het contactoppervlak tussen de reactanten). Een belangrijk aspect bij het selecteren van een anorganische verbinding als katalysator is dat je je moet laten leiden door het aantal actieve centra die het heeft. De aanwezigheid van een groot aantal actieve centra waaraan de bij de gekatalyseerde reactie betrokken reactanten binden, verhoogt de opbrengst van de reactie. Vanadium(V)oxide – Katalysatoren met V ₂ O ₅ als hoofdbestanddeel zijn effectief in vrijwel alle oxidatiereacties. Ze spelen een belangrijke rol in de hedendaagse chemische industrie . Eén van de belangrijkste toepassingen van deze katalysatoren is de productie van zwavelzuur. Vanadium(V)oxide katalyseert de oxidatiereactie van zwavel(IV)oxide tot zwavel(VI)oxide, dat vervolgens wordt geabsorbeerd in zwavelzuur. Bij deze processen wordt de vanadiumkatalysator het zogenaamde contact genoemd, omdat deze zich in een andere fase bevindt dan de andere reactanten. In de industrie wordt het meestal gebruikt in de vorm van een drager met een actieve fase op het oppervlak. De belangrijkste voordelen zijn een laag vlampunt, stabiliteit tijdens het proces of een hoge stofabsorptiecoëfficiënt. Naast de productie van zwavelzuur wordt vanadium(V)oxide ook gebruikt als katalysator bij de productie van rubber, het kraken van olie en de synthese van sommige verbindingen met een hoog molecuulgewicht. Aluminiumchloride – Het meest voorkomende gebruik van aluminiumchloride als katalysator bij organische synthese is de Friedel-Crafts-alkyleringsreactie. AlCl ₃ bevindt zich in een andere aggregatietoestand (vaste fase) dan de andere reactanten, dus in dit geval is er sprake van heterogene katalyse. De katalytische eigenschappen zijn voornamelijk gebaseerd op het feit dat het een zogenaamd Lewis-zuur is wat betreft zijn chemische structuur en eigenschappen. Het belangrijkste kenmerk is het vermogen om elektronenparen van Lewis-basen te accepteren. Aluminiumchloride, als katalysator en Lewiszuur, combineert met geselecteerde moleculen of hun fragmenten, waarna overgangscomplexen worden gevormd en vervolgens worden afgebroken tot carbokationen. Zwavelzuur – Zwavelzuur vertoont zelfs in kleine hoeveelheden katalytische eigenschappen voor geselecteerde chemische reacties. Voorbeelden van een dergelijke transformatie omvatten de veresteringsreactie van azijnzuur met ethanol of de nitreringsreactie van aromatische verbindingen. Het zuur fungeert dan als homogene katalysator en bevindt zich daardoor in het systeem, in dezelfde fase als de andere reactanten. Als zeer sterk zuur komen er bij introductie in de reactieomgeving waterstofionen vrij die de processen voortstuwen. Bovendien is een extra eigenschap van zwavelzuur de hygroscopiciteit ervan. De bij het veresteringsproces gevormde watermoleculen worden door het zuur gebonden en hierdoor verschuift het evenwicht waardoor er meer producten worden gevormd. Bedenk echter dat dit niet het gevolg is van het katalyseren van de reactie, maar alleen van de verschuiving in de evenwichtstoestand.

Biokatalysatoren

Biokatalysatoren zijn chemische verbindingen die reacties katalyseren die plaatsvinden en ontstaan ​​in het menselijk lichaam. Ze zijn cruciale elementen in alle biochemische transformaties. Ze versnellen niet alleen dergelijke transformaties, maar vertonen ook een zekere selectiviteit bij het katalyseren van geselecteerde reacties. Verreweg de grootste groep biokatalysatoren zijn enzymen, inclusief niet-eiwitkatalysatoren, namelijk ribozymen. Hun specifieke kwaliteit is het autokatalysevermogen. Enzymen – Dit zijn zeer selectieve katalysatoren die zowel de snelheid als de selectiviteit van metabolische reacties aanzienlijk verhogen. Ze zijn betrokken bij alle chemische reacties van het organisme. Als organische katalysatoren (of anderszins biokatalysatoren) worden enzymen door cellen geproduceerd. Dit kunnen eenvoudige eiwitten zijn, maar ook complexe eiwitten. Ze worden gekenmerkt door de aanwezigheid van twee groepen: de prothetische groep en de aoferment. Enzymen katalyseren de reacties van oxidatie en reductie van complexe organische verbindingen, de overdracht van functionele groepen, de hydrolyse van verschillende typen bindingen, de vernietiging van chemische bindingen, de verandering van isomerisatie van moleculen of de vorming van nieuwe covalente bindingen. Hun rol in het menselijk lichaam kan niet worden overschat. Ze nemen deel aan vrijwel alle vitale processen, zowel anabole als katabole. Door geselecteerde reacties te katalyseren, beïnvloeden ze de richting van de metabolische routes in het lichaam aanzienlijk.