Katalyzátory v chémii. Čo sú zač? Aké sú ich typy?

Aké látky môžu byť katalyzátormi?

Chemické procesy a reakcie, ktoré sú katalyzované, prebiehajú v prítomnosti určitých špecifických látok nazývaných katalyzátory. Ich primárnou úlohou v systémoch je zníženie aktivačnej energie, čo priamo zvyšuje rýchlosť procesu. Výber katalyzátora je kľúčovou otázkou, od ktorej závisí napríklad účinnosť procesu. Ako katalyzátory sa zvyčajne používajú špecifické chemické zlúčeniny alebo systémy typu jadro-plášť. Základné vlastnosti katalyzátorov a ich funkcie v systémoch:

• Prítomnosť katalyzátora v reakcii nie je zahrnutá v molekulovej rovnici chemickej reakcie , pretože nereaguje so substrátmi alebo produktmi .
• Po ukončení reakcie sa katalyzátor izoluje. Katalytickú reakciu možno teda opísať ako cyklickú.
• Katalyzátor by mal byť ľahko oddeliteľný od získaných produktov chemickej reakcie.
• Katalyzátor nijako neovplyvňuje rovnovážny stav reakcie a teda nemení jej termodynamiku.
• Katalyzátory musia mať tri základné charakteristiky: vysokú aktivitu, vysokú selektivitu a stabilitu v čase.
• Katalyzátory musia spĺňať množstvo základných predpokladov o ich zložení, vrátane správnej veľkosti pórov, kryštalickej fázy, pevnosti v tlaku, stupňa redukcie, fluidizačných vlastností, opotrebiteľnosti, priemerného chemického zloženia, efektívnej plochy povrchu, veľkosti zŕn a ďalších.

Prečítajte si tiež: katalýza .

Príklady katalyzátorov

Kovy

Kovy sú veľmi dobré katalyzátory, ktoré sa ľahko používajú v priemysle. Prechodné kovy priťahujú zvláštny záujem, pretože môžu existovať v dvoch alebo viacerých oxidačných stavoch, napr. železo v oxide železitom alebo oxide železitom. Tieto kovy majú neúplne vyplnené d orbitály, čo im umožňuje ľahko darovať a prijímať elektróny z iných molekúl. V posledných rokoch sú katalyzátory vytvorené na báze kovových nanočastíc čoraz dôležitejšie vďaka svojim jedinečným vlastnostiam. Platina – kov používaný napr. pri hydrogenácii alebo dehydrogenácii funkčných skupín v organickej syntéze. Látka je chemicky inertná a stabilná v oxidačnom prostredí a má vysoký obsah vlhkosti. Pri teplotách nad 450 ᵒC sa na jeho povrchu vytvorí film oxidu platičitého . Platina v zlúčeninách sa vyskytuje v niekoľkých oxidačných stavoch, ale zvyčajne ako katalyzátor nadobúda hodnoty II alebo IV. Okrem využitia v chemickej technológii sa platina používa aj v automobilových katalyzátoroch. Má schopnosť viazať atómy kyslíka na toxický oxid uhličitý vo výfukových plynoch vozidla. Tým vzniká podstatne menej škodlivého oxidu uhličitého. Paládium – Paládiové katalyzátory sa zúčastňujú celého radu organických reakcií, ako je cyklizácia, hydrogenácia, oxidácia, izomerizácia, radikálové reakcie a iné. Vykazujú vysokú toleranciu rôznych funkčných skupín a sú často schopné poskytnúť vynikajúcu stereoselektivitu, čo pomáha vyhnúť sa potrebe špecifických ochranných skupín . Okrem toho sú paládiové katalyzátory obzvlášť účinné, napr. pri selektívnej hydrogenácii, čo umožňuje získať požadované produkty v jedinom reakčnom cykle. Nikel – Ako katalyzátor hrá nikel kľúčovú úlohu pri mnohých organických premenách, ako je oxidácia, redukcia, cyklizácia, tvorba uhlíkovo-heteroatómových väzieb a iné. Vyskytuje sa v niekoľkých oxidačných stupňoch v zlúčeninách II, III a IV. Nikel je relatívne reaktívny prvok a zároveň vykazuje vysokú chemickú stabilitu. Tento kov má veľkú výhodu – je lacnejší ako iné katalyzátory na báze prechodných kovov, a preto sa často používa ako alternatíva paládiových, napr. pri kopulačných reakciách. Zlato – Niektoré katalytické reakcie prebiehajú v prítomnosti zlata. Jeho katalytická aktivita je silne závislá od veľkosti a štruktúry kryštalitov. Ich účinok závisí aj od spôsobu prípravy. Zlaté katalyzátory sú zvyčajne konglomeráty tohto prvku spolu s vhodným nosičom, ktorý napríklad dodáva dostatok kyslíka na ďalšie zvýšenie aktivity zlata. Komplexy tohto kovu sú veľmi dobrými katalyzátormi pre reakcie tvoriace väzby uhlík-uhlík, uhlík-dusík alebo uhlík-kyslík, pretože môžu ľahko aktivovať dvojité a trojité väzby, napr. v uhlíkových reťazcoch. Príklady reakcií katalyzovaných zlatom zahŕňajú oxidáciu oxidu uhoľnatého, oxidáciu alkoholov a aldehydov , epoxidačné reakcie, hydrogenáciu aldehydov a iné.

Anorganické zlúčeniny

Anorganické zlúčeniny, najmä oxidy kovov a nekovov, vybrané soli a kyseliny sú príkladmi anorganických katalyzátorov. Typicky sú tieto látky nanesené na špeciálnych nosičoch, ktorými sú porézne materiály (napr. uhlík, oxid kremičitý alebo oxid hlinitý), ktoré podporujú ich katalytické vlastnosti (čím väčší je povrch nosiča, tým väčšia je kontaktná plocha medzi reaktantmi). Dôležitým aspektom pri výbere anorganickej zlúčeniny ako katalyzátora je riadiť sa počtom aktívnych centier, ktoré má. Prítomnosť veľkého počtu aktívnych centier, na ktoré sa viažu reaktanty zapojené do katalyzovanej reakcie, zvyšuje výťažok reakcie. Oxid vanádičný – Katalyzátory s V ₂ O ₅ ako ich hlavnou zložkou sú účinné takmer pri všetkých oxidačných reakciách. V dnešnom chemickom priemysle zohrávajú dôležitú úlohu. Jednou z najdôležitejších aplikácií týchto katalyzátorov je výroba kyseliny sírovej. Oxid vanádu (V) katalyzuje reakciu oxidácie oxidu sírového (IV) na oxid sírový (VI), ktorý sa potom absorbuje do kyseliny sírovej. V týchto procesoch sa vanádiový katalyzátor označuje ako takzvaný kontaktný, pretože je v inej fáze ako ostatné reaktanty. V priemysle sa zvyčajne používa vo forme nosiča s aktívnou fázou nanesenou na jeho povrchu. Medzi jeho hlavné výhody patrí nízky bod vzplanutia, stabilita počas procesu či vysoký koeficient absorpcie prachu. Okrem výroby kyseliny sírovej sa oxid vanádičný používa aj ako katalyzátor pri výrobe kaučuku, krakovaní ropy a syntéze niektorých vysokomolekulových zlúčenín. Chlorid hlinitý – Najbežnejším použitím chloridu hlinitého ako katalyzátora v organickej syntéze je Friedel-Craftsova alkylačná reakcia. AlCl ₃ je v inom stave agregácie (tuhá fáza) ako ostatné reaktanty, takže v tomto prípade ide o heterogénnu katalýzu. Jej katalytické vlastnosti sú založené najmä na skutočnosti, že ide o takzvanú Lewisovu kyselinu, čo sa týka jej chemickej štruktúry a vlastností. Jeho hlavnou črtou je schopnosť prijímať elektrónové páry z Lewisových báz. Chlorid hlinitý, ako katalyzátor a Lewisova kyselina, sa spája s vybranými molekulami alebo ich fragmentmi, potom vznikajú prechodové komplexy, ktoré sa potom rozkladajú na karbokationy. Kyselina sírová – Kyselina sírová vykazuje katalytické vlastnosti aj v malom množstve pre vybrané chemické reakcie. Príklady takejto transformácie zahŕňajú esterifikačnú reakciu kyseliny octovej s etanolom alebo nitračnú reakciu aromatických zlúčenín. Kyselina potom pôsobí ako homogénny katalyzátor, a preto je v systéme v rovnakej fáze ako ostatné reaktanty. Ako veľmi silná kyselina, keď je zavedená do reakčného prostredia, uvoľňuje vodíkové ióny, ktoré poháňajú procesy. Ďalšou vlastnosťou kyseliny sírovej je jej hygroskopickosť. Molekuly vody vznikajúce v procese esterifikácie sú viazané kyselinou a tým sa posúva rovnováha, čím vzniká viac produktov. Pamätajte však, že to nevyplýva z katalýzy reakcie, ale je to len v dôsledku posunu v rovnovážnom stave.

Biokatalyzátory

Biokatalyzátory sú chemické zlúčeniny, ktoré katalyzujú reakcie, ktoré sa vyskytujú a vznikajú v ľudskom tele. Sú rozhodujúcimi prvkami všetkých biochemických premien. Nielenže urýchľujú takéto transformácie, ale prejavujú aj určitú selektivitu pri katalýze vybraných reakcií. Jednoznačne najväčšiu skupinu biokatalyzátorov tvoria enzýmy, vrátane neproteínových katalyzátorov, konkrétne ribozýmy. Ich špecifickou vlastnosťou je schopnosť autokatalýzy. Enzýmy – Ide o vysoko selektívne katalyzátory, ktoré výrazne zvyšujú rýchlosť a selektivitu metabolických reakcií. Podieľajú sa na všetkých chemických reakciách organizmu. Ako organické katalyzátory (alebo inak biokatalyzátory) sú enzýmy produkované bunkami. Môžu to byť jednoduché proteíny, ako aj komplexné proteíny. Sú charakterizované prítomnosťou dvoch skupín: protetickej skupiny a aofermentu. Enzýmy katalyzujú reakcie oxidácie a redukcie zložitých organických zlúčenín, prenos funkčných skupín, hydrolýzu väzieb rôzneho typu, deštrukciu chemických väzieb, zmenu izomerizácie molekúl alebo tvorbu nových kovalentných väzieb. Ich úlohu v ľudskom tele nemožno preceňovať. Podieľajú sa prakticky na všetkých životne dôležitých procesoch, anabolických aj katabolických. Katalyzovaním vybraných reakcií výrazne ovplyvňujú smerovanie metabolických dráh v organizme.