Katalysatorer inom kemi. Vad är dem? Vilka är deras typer?

Vilka ämnen kan vara katalysatorer?

Kemiska processer och reaktioner som katalyseras sker i närvaro av vissa specifika ämnen som kallas katalysatorer. Deras primära uppgift i system är att minska aktiveringsenergin, vilket direkt ökar processens hastighet. Valet av katalysator är en nyckelfråga som till exempel processeffektiviteten beror på. Specifika kemiska föreningar eller system av kärna-skal-typ används vanligtvis som katalysatorer. Grundläggande egenskaper hos katalysatorer och deras funktioner i system:

• Närvaron av en katalysator i en reaktion ingår inte i molekylekvationen för en kemisk reaktion eftersom den inte reagerar med substraten eller produkterna .
• När reaktionen väl är över utvinns katalysatorn. Således kan den katalytiska reaktionen beskrivas som cyklisk.
• Katalysatorn bör lätt kunna separeras från de erhållna produkterna från den kemiska reaktionen.
• Katalysatorn påverkar inte reaktionens jämviktstillstånd på något sätt och ändrar därför inte dess termodynamik.
• Katalysatorer måste ha tre grundläggande egenskaper: hög aktivitet, hög selektivitet och stabilitet över tid.
• Katalysatorer måste uppfylla ett antal grundläggande antaganden om sin konstitution, inklusive rätt porstorlek, kristallin fas, krosshållfasthet, reduktionsgrad, fluidiseringsegenskaper, bärbarhet, genomsnittlig kemisk sammansättning, effektiv ytarea, kornstorlek och andra.

Läs också: katalys .

Exempel på katalysatorer

Metaller

Metaller är mycket bra katalysatorer som lätt används inom industrin. Övergångsmetaller lockar särskilt intresse eftersom de kan existera i två eller flera oxidationstillstånd, t.ex. järn i järn(II)oxid eller järn(III)oxid. Dessa metaller har ofullständigt fyllda d-orbitaler, vilket gör att de enkelt kan donera till och acceptera elektroner från andra molekyler. Under senare år har katalysatorer som bildas på basis av metalliska nanopartiklar blivit allt viktigare på grund av deras unika egenskaper. Platina – En metall som används t.ex. vid hydrering av funktionella grupper eller dehydreringsprocesser i organisk syntes. Ämnet är kemiskt inert och stabilt i oxiderande miljöer och har en hög fukthalt. Vid temperaturer över 450 ᵒC bildas en film av platinadioxid på dess yta . Platina i föreningar förekommer i flera oxidationstillstånd, men tar vanligtvis, som en katalysator, värdena av II eller IV. Utöver dess användning inom kemisk teknik, används platina även i bilkatalysatorer. Det har förmågan att binda syreatomer till den giftiga kol(II)oxiden i fordonets avgaser. Detta ger betydligt mindre skadlig koldioxid. Palladium – Palladiumkatalysatorer är involverade i en rad organiska reaktioner, såsom cyklisering, hydrering, oxidation, isomerisering, radikalreaktioner och andra. De visar en hög tolerans för olika funktionella grupper och kan ofta ge utmärkt stereoselektivitet, vilket hjälper till att undvika behovet av specifika skyddsgrupper. Dessutom är palladiumkatalysatorer särskilt effektiva, t.ex. vid selektiv hydrogenering, vilket gör det möjligt att erhålla de önskade produkterna i en enda reaktionscykel. Nickel – Som katalysator spelar nickel en nyckelroll i många organiska omvandlingar, såsom oxidation, reduktion, cyklisering, bildning av kol-heteroatombindningar och andra. Det förekommer i flera oxidationstillstånd i föreningarna II, III och IV. Nickel är ett relativt reaktivt grundämne, samtidigt som det uppvisar hög kemisk stabilitet. Denna metall har en stor fördel – den är billigare än andra övergångsmetallkatalysatorer, varför den ofta används som ett alternativ till palladium, t.ex. i kopplingsreaktioner. Guld – Vissa katalytiska reaktioner utförs i närvaro av guld. Dess katalytiska aktivitet är starkt beroende av kristalliternas storlek och struktur. Deras effekt beror också på beredningsmetoden. Guldkatalysatorer är vanligtvis konglomerat av detta grundämne tillsammans med en lämplig bärare, som till exempel tillför tillräckligt med syre för att ytterligare öka aktiviteten hos guld. Komplex av denna metall är mycket bra katalysatorer för reaktioner som bildar kol-kol, kol-kväve eller kol-syrebindningar, eftersom de lätt kan aktivera dubbel- och trippelbindningar, t.ex. i kolkedjor. Exempel på reaktioner som katalyseras av guld inkluderar oxidation av kol(II)oxid, oxidation av alkoholer och aldehyder , epoxideringsreaktioner, hydrering av aldehyder och andra.

Oorganiska föreningar

Oorganiska föreningar, särskilt metall- och icke- metalloxider , utvalda salter och syror är exempel på oorganiska katalysatorer. Typiskt avsätts dessa ämnen på speciella bärare, som är porösa material (t.ex. kol, kiseldioxid eller aluminiumoxid) som stödjer deras katalytiska egenskaper (ju större yta bäraren har, desto större kontaktyta mellan reaktanterna). En viktig aspekt vid val av en oorganisk förening som katalysator är att styras av antalet aktiva centra den har. Närvaron av ett stort antal aktiva centra, till vilka de reaktanter som är involverade i den katalyserade reaktionen binder, ökar reaktionsutbytet. Vanadin(V)oxid – Katalysatorer med V ₂ O ₅ som huvudkomponent är effektiva i nästan alla oxidationsreaktioner. De spelar en viktig roll i dagens kemiska industri . En av de viktigaste tillämpningarna för dessa katalysatorer är produktionen av svavelsyra. Vanadin(V)oxid katalyserar reaktionen av oxidation av svavel(IV)oxid till svavel(VI)oxid, som sedan absorberas i svavelsyra. I dessa processer hänvisas till vanadinkatalysatorn som den så kallade kontakten, eftersom den befinner sig i en annan fas än de andra reaktanterna. Inom industrin används det vanligtvis i form av en bärare med en aktiv fas applicerad på dess yta. Dess främsta fördelar inkluderar en låg flampunkt, stabilitet under processen eller en hög dammabsorptionskoefficient. Förutom produktionen av svavelsyra används vanadin(V)oxid även som katalysator vid gummiproduktion, oljekrackning och syntes av vissa högmolekylära föreningar. Aluminiumklorid – Den vanligaste användningen av aluminiumklorid som katalysator i organisk syntes är Friedel-Crafts alkyleringsreaktion. _AlCl3 är i ett annat tillstånd av aggregation (fast fas) än de andra reaktanterna, så i detta fall är det heterogen katalys. Dess katalytiska egenskaper är främst baserade på det faktum att det är en så kallad Lewis-syra vad gäller dess kemiska struktur och egenskaper. Dess huvudsakliga egenskap är dess förmåga att acceptera elektronpar från Lewis-baser. Aluminiumklorid, som katalysator, och Lewis-syra, kombineras med utvalda molekyler eller deras fragment, varefter övergångskomplex bildas och sedan bryts ned till karbokater. Svavelsyra – Svavelsyra uppvisar katalytiska egenskaper även i små mängder för utvalda kemiska reaktioner. Exempel på en sådan omvandling inkluderar förestringsreaktionen av ättiksyra med etanol eller nitreringsreaktionen av aromatiska föreningar. Syran fungerar då som en homogen katalysator och är därför i systemet, i samma fas som de andra reaktanterna. Som en mycket stark syra, när den införs i reaktionsmiljön, frigör den vätejoner som driver fram processerna. Dessutom är en ytterligare egenskap hos svavelsyra dess hygroskopicitet. Vattenmolekylerna som bildas i förestringsprocessen binds av syran och detta förskjuter jämvikten varigenom fler produkter bildas. Kom dock ihåg att detta inte är ett resultat av att katalysera reaktionen, utan det beror bara på förändringen i jämviktstillståndet.

Biokatalysatorer

Biokatalysatorer är kemiska föreningar som katalyserar reaktioner som uppstår och uppstår i människokroppen. De är avgörande element i alla biokemiska omvandlingar. De accelererar inte bara sådana transformationer, utan uppvisar också en viss selektivitet när det gäller att katalysera utvalda reaktioner. Den överlägset största gruppen av biokatalysatorer är enzymer, inklusive icke-proteinkatalysatorer, nämligen ribozymer. Deras specifika kvalitet är autokatalysförmågan. Enzymer – Dessa är mycket selektiva katalysatorer som avsevärt ökar både hastigheten och selektiviteten för metaboliska reaktioner. De är involverade i alla kemiska reaktioner av organismen. Som organiska katalysatorer (eller på annat sätt biokatalysatorer) produceras enzymer av celler. Dessa kan vara enkla proteiner såväl som komplexa proteiner. De kännetecknas av närvaron av två grupper: protesgruppen och aofermentet. Enzymer katalyserar reaktionerna av oxidation och reduktion av komplexa organiska föreningar, överföring av funktionella grupper, hydrolys av olika typer av bindningar, förstörelse av kemiska bindningar, förändring av isomerisering av molekyler eller bildning av nya kovalenta bindningar. Deras roll i människokroppen kan inte överskattas. De deltar i praktiskt taget alla vitala processer, både anabola och katabola. Genom att katalysera utvalda reaktioner påverkar de avsevärt riktningen för metabola vägar i kroppen.