Rýchlosť chemických reakcií závisí od mnohých faktorov, vrátane teploty alebo koncentrácie reaktantov. Ako sa ukazuje, malý prídavok cudzorodej látky môže ovplyvniť kinetiku reakcie a tým ju značne urýchliť. Tento problém je predmetom katalýzy. V súčasnosti má veľký význam najmä v chemickom priemysle. Mnohé technologické procesy vo veľkom meradle by boli nemožné bez katalyzátorov. Okrem toho, enzýmy, ktoré katalyzujú biochemické procesy, hrajú kľúčovú úlohu v životných procesoch na Zemi.
Katalýza – čo to je a ako sa klasifikuje?
Katalýza je definovaná ako jav zvyšovania rýchlosti chemickej reakcie pomocou látky, ktorá nie je ani substrátom ani produktom tejto transformácie. Takáto látka sa nazýva katalyzátor. Základné typy katalýzy sú nasledovné:
- Homogénna katalýza – pri tomto type katalýzy sú substráty aj katalyzátor v rovnakom fyzikálnom stave. Najčastejšie ide o kvapalnú alebo plynnú fázu. V tomto prípade katalyzátor reaguje s jedným zo substrátov za vzniku nestabilného medziproduktového komplexu, ktorý následne reaguje s druhým reaktantom. Výsledkom je vytvorenie reakčných produktov a regenerácia katalyzátora. Treba poznamenať, že nie všetky reakcie prebiehajú týmto spôsobom. V skutočnosti sú viacstupňové procesy najbežnejším druhom. Príkladom homogénnej (alebo jednofázovej) reakcie je oxidácia oxidu sírového (IV) na oxid sírový (VI). Všetky zložky, tj substráty, katalyzátor a produkty, sú prítomné v plynnej fáze.
- Heterogénna katalýza – ide o najbežnejšie používaný typ katalýzy, napr. v procesoch chemického priemyslu . Tu je katalyzátor v inom fyzikálnom stave hmoty ako ostatné reaktanty. Zvyčajne ide o pevný, alebo takzvaný „kontakt“. Substráty sa adsorbujú na jeho povrchu. Potom s nimi katalyzátor reaguje. Výsledné produkty sa desorbujú a opúšťajú kontaktný povrch, čím vytvárajú priestor pre ďalšie substráty. Použitie tohto typu katalýzy umožňuje uskutočniť napríklad reakcie medzi plynnými látkami, ktoré spolu bežne nereagujú. Vzhľadom na to, že heterogénna katalýza je z priemyselného hľadiska veľmi dôležitá, jedným z hlavných problémov katalýzy je vývoj katalyzátorov vyrobených z rôznych materiálov s tvarmi, ktoré poskytujú čo najväčšiu kontaktnú plochu.
- Enzýmová katalýza – enzýmy sú okrem fermentov skupinou bielkovín, ktoré sa podieľajú na biokatalýze biosyntéznych a rozkladných reakcií. Tieto procesy prebiehajú v bunkách živých organizmov a telesných tekutinách. Enzýmy, rovnako ako „klasické“ katalyzátory, znižujú aktivačnú energiu biologickej reakcie. Na svojom povrchu majú takzvané aktívne centrá. Vďaka svojmu tvaru a štruktúre sú tieto centrá kompatibilné len so špecifickými substrátmi. Selektivita enzýmov ako katalyzátorov je teda 100 %. Ďalej sa takáto katalýza označuje ako model kľúča a zámku. Po vytvorení komplexu enzým-substrát sa niektoré väzby uvoľnia a vytvoria sa produkty. Enzým sa potom uvoľní a vráti sa do pôvodnej formy.
Autokatalýza je zaujímavý fenomén. Vzniká vtedy, keď sa výsledný produkt reakcie stane jej katalyzátorom. Preto s časom reakcia prebieha rýchlejšie a rýchlejšie. Príkladom autokatalytického procesu je reakcia KMnO 4 s peroxidom vodíka v kyslom prostredí. Vzniknuté ióny (tj Mn 2+ ) pôsobia ako katalyzátor pôvodnej reakcie.
Katalyzátory
Katalyzátory sú chemické látky, ktoré po zavedení do reakčného systému urýchľujú chemickú reakciu. Dôležité je, že počas reakcie nepodliehajú chemickým premenám a po ukončení reakcie sa vracajú do pôvodnej formy. Katalyzátor pridaný do reakčného systému vytvára nestabilnú prechodnú väzbu so substrátom. To umožňuje znížiť aktivačnú energiu. Čo je dôležité, katalyzátor nie je zahrnutý v stechiometrickej rovnici celkového procesu. Navyše ani s katalyzátorom nie je možné iniciovať reakciu, ktorá nie je termodynamicky realizovateľná. Aby daná chemická reakcia za určitých podmienok prebehla, je potrebné poskytnúť energiu väčšiu ako je potrebná aktivačná energia. V tomto prípade je úlohou katalyzátora znížiť množstvo potrebnej energie, aby sa reakcia mohla spustiť rýchlejšie. Je potrebné pripomenúť, že katalyzátor neovplyvňuje posun v rovnovážnom stave. Len urýchľuje moment jeho dosiahnutia. Čím rýchlejšie to robí, tým je aktívnejšia. Aktivita katalyzátora je teda definovaná ako rozdiel v rýchlosti, ktorou reakcia dosiahne rovnováhu v prítomnosti a neprítomnosti katalyzátora. Ďalším kritériom charakterizujúcim katalyzátory je ich selektivita. Je definovaný ako pomer množstva vytvoreného produktu k celkovému množstvu všetkých produktov vytvorených počas reakcie. Látky používané ako katalyzátory v priemyselných procesoch zvyčajne dosahujú selektivitu 70 %až 90 %. V tomto ohľade sú enzýmy jedinečné. Úroveň selektivity, ktorú dosahujú v biochemických reakciách, dosahuje až 100 %. 
Význam katalýzy v priemyselných procesoch
V súčasnosti zohráva katalýza kľúčovú úlohu v mnohých procesoch, najmä v chemickom priemysle. Katalyzátory prispievajú k efektívnejšej výrobe chemikálií, ktoré sa zase využívajú napríklad pri výrobe hnojív. Nižšie sú uvedené tri príklady procesov chemického priemyslu, ktoré sa spoliehajú na katalýzu. Tieto katalyzátory patria medzi najpoužívanejšie. Treba však pamätať na to, že na trh sa neustále dostávajú nové alebo upravené riešenia, ktorým sa darí postupne nahrádzať predtým používané látky.
Výroba kyseliny dusičnej (V).
Výroba kyseliny dusičnej (V) pozostáva z niekoľkých po sebe nasledujúcich etáp. Prvým je spaľovanie amoniaku v kyslíku na oxid dusnatý (II) a vodu. Na zvýšenie účinnosti procesu sa používa katalyzátor, ktorým je zliatina platiny a ródia (93 %Pt a 7 %Rh). Z tejto zliatiny sa vyrábajú drôty, z ktorých sú tkané špeciálne pletivá. Dve alebo tri sitá sú umiestnené v reaktore kolmo na tok reakčných plynov. Táto metóda má však určité obmedzenia. Pohybujúce sa plyny spôsobujú trenie o sitá, čo vedie k ich degradácii a strate platiny. Tieto straty sú citeľné najmä v oxidačnom úseku, kde je zvýšený tlak a vysoká teplota. Okrem toho sú platinové sitá pomerne citlivé na otravu spôsobenú nedostatočným čistením reagujúcich plynov od rušivých látok, napr. síry. Pri katalytickej oxidácii amoniaku vzniká ako vedľajší produkt oxid dusný. V súčasnosti sú na trhu dostupné riešenia znižujúce jeho emisie. Na tento účel sa v blízkosti sitiek zo zliatiny Pt-Rh používa oxidový katalyzátor na báze hlinitanov na vysokoteplotný rozklad oxidu dusného v nitróznych plynoch. Charakteristickým znakom tohto katalyzátora je jeho vysoká selektivita rozkladu vo vzťahu k N20 .
Oxidácia SO 2 na SO 3
Jedným z najdôležitejších krokov v priemyselnej výrobe kyseliny sírovej (VI) je oxidácia oxidu sírového (IV) na oxid sírový (VI). Tento proces sa vykonáva pomocou kontaktnej metódy. Mnohé látky môžu pri tejto oxidačnej reakcii pôsobiť ako katalyzátor. V rôznej miere urýchľujú reakcie. Experimentálne bolo dokázané, že najvyššia účinnosť sa dosahuje použitím vanádiových katalyzátorov. Pozostávajú z oxidu vanadičného (V), ktorý je nanesený na nosiči (zvyčajne oxid kremičitý). Okrem toho obsahuje aj aktivátory (oxid sodný alebo oxid draselný) a ďalšie prísady ovplyvňujúce okrem iného jeho pevnosť pri vysokých teplotách. Množstvo oxidu vanáditého (V) v katalyzátore sa pohybuje od 5 do 7 %hmotnostných. Najväčšiu účinnosť dosahuje pri relatívne vysokých teplotách. Vanádový katalyzátor má na svojom povrchu aktívne miesta, kde sú adsorbované molekuly O 2 a SO 2 . Tam prebiehajú ich reakcie, po ktorých nasleduje desorpcia výsledných produktov. Nedostatočná čistota substrátov privádzaných do reaktora môže viesť k otrave katalyzátora, tj k deaktivácii jeho aktívnych miest. V tomto prípade medzi jedy patrí chlór, fluór a arzén.
Výroba amoniaku
Ďalším katalytickým procesom v chemickom priemysle je syntéza amoniaku . Samotný proces je taký pomalý, že je potrebné použiť vhodné kontakty. V tomto prípade je najvýhodnejším katalyzátorom železo aktivované malým množstvom oxidu hlinitého a oxidu draselného. Vzniká spaľovaním železa v prítomnosti kyslíka a následným tavením vzniknutého Fe 3 O 4 s Al 2 O 3 a K 2 O. Zliatina (najčastejšie) vo forme granúl je hotový katalyzátor. Rovnako ako v iných procesoch, počas procesu syntézy amoniaku železný katalyzátor spôsobuje absorpciu vodíka a dusíka na svojich aktívnych miestach a desorpciu výsledných produktov. Zlúčeniny zodpovedné za degradáciu železného kontaktu sú najmä síra, oxid uhličitý a vodná para.
