ตัวเร่งปฏิกิริยาในวิชาเคมี พวกเขาคืออะไร? ประเภทของพวกเขาคืออะไร?

สารอะไรที่สามารถเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้?

กระบวนการและปฏิกิริยาทางเคมีที่ถูกเร่งปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเมื่อมีสารเฉพาะบางอย่าง ที่เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา หน้าที่หลักในระบบคือการลดพลังงานกระตุ้น ซึ่งจะเพิ่มความเร็วของกระบวนการโดยตรง การเลือกตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นประเด็นสำคัญ เช่น ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของกระบวนการ เป็นต้น สารประกอบหรือระบบทางเคมีเฉพาะประเภทแกนเปลือกมักใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา คุณสมบัติพื้นฐานของตัวเร่งปฏิกิริยาและหน้าที่ในระบบ:

• การมีอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาไม่รวมอยู่ในสมการโมเลกุลของ ปฏิกิริยาเคมี เนื่องจากไม่ทำปฏิกิริยากับ ซับสเตรตหรือผลิตภัณฑ์
• เมื่อปฏิกิริยาสิ้นสุดลง ตัวเร่งปฏิกิริยาก็จะถูกนำกลับมาใช้ใหม่ ดังนั้นปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาจึงสามารถอธิบายได้ว่าเป็นวงจร
• ตัวเร่งปฏิกิริยาควรแยกออกจากผลิตภัณฑ์ที่ได้รับจากปฏิกิริยาเคมีได้ง่าย
• ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ส่งผลต่อสถานะสมดุลของปฏิกิริยาแต่อย่างใด ดังนั้นจึงไม่เปลี่ยนอุณหพลศาสตร์
• ตัวเร่งปฏิกิริยาต้องมีลักษณะพื้นฐานสามประการ ได้แก่ กิจกรรมสูง ความสามารถในการเลือกสรรสูง และความเสถียรเมื่อเวลาผ่านไป
• ตัวเร่งปฏิกิริยาต้องเป็นไปตามสมมติฐานพื้นฐานหลายประการเกี่ยวกับโครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยา รวมถึงขนาดรูพรุนที่เหมาะสม เฟสผลึก ความแข็งแรงในการบด ระดับของการรีดักชัน คุณสมบัติฟลูอิเดเซชัน ความสามารถในการสวมใส่ องค์ประกอบทางเคมีโดยเฉลี่ย พื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพ ขนาดเกรน และอื่นๆ

อ่านเพิ่มเติม: การเร่งปฏิกิริยา

ตัวอย่างของตัวเร่งปฏิกิริยา

โลหะ

โลหะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีมากซึ่งพร้อมใช้ในอุตสาหกรรม โลหะทรานซิชันดึงดูดความสนใจเป็นพิเศษเนื่องจากสามารถอยู่ในสถานะออกซิเดชันสองสถานะขึ้นไป เช่น เหล็กในเหล็ก (II) ออกไซด์หรือเหล็ก (III) ออกไซด์ โลหะเหล่านี้มีออร์บิทัล d ที่ไม่สมบูรณ์ ซึ่งทำให้พวกมันบริจาคและรับอิเล็กตรอนจากโมเลกุลอื่นได้อย่างง่ายดาย ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจากอนุภาคนาโนของโลหะมีความสำคัญมากขึ้นเนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัวของพวกมัน แพลตตินัม – โลหะที่ใช้ เช่น ในกระบวนการไฮโดรจิเนชันแบบหมู่ฟังก์ชันหรือกระบวนการดีไฮโดรจิเนชันในการสังเคราะห์สารอินทรีย์ สารนี้ไม่เฉื่อยทางเคมีและมีความเสถียรในสภาพแวดล้อมออกซิไดซ์และมีปริมาณความชื้นสูง ที่อุณหภูมิสูงกว่า 450 ᵒC จะเกิดฟิล์มแพลทินัมไดออกไซด์ขึ้นบนพื้นผิว แพลตตินัมในสารประกอบเกิดขึ้นในสถานะออกซิเดชันหลายสถานะ แต่โดยปกติแล้วในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยา จะใช้ค่า II หรือ IV นอกจากการใช้ในเทคโนโลยีเคมีแล้ว แพลทินัมยังใช้ในเครื่องฟอกไอเสียรถยนต์อีกด้วย มีความสามารถในการจับอะตอมออกซิเจนกับคาร์บอนออกไซด์ที่เป็นพิษ (II) ในไอเสียรถยนต์ สิ่งนี้จะปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นอันตรายน้อยลงอย่างมาก แพลเลเดียม – ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลเลเดียมเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาอินทรีย์หลายประเภท เช่น ปฏิกิริยาไซเคไลเซชัน ไฮโดรจิเนชัน ออกซิเดชัน ไอโซเมอไรเซชัน ปฏิกิริยาอนุมูลอิสระ และอื่นๆ พวกมันแสดงความทนทานสูงต่อกลุ่มการทำงานที่แตกต่างกัน และมักจะสามารถให้การเลือกแบบสเตอริโอที่ดีเยี่ยม ซึ่งช่วยหลีกเลี่ยงความจำเป็นสำหรับกลุ่มการปกป้องที่เฉพาะเจาะจง นอกจากนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลเลเดียมยังมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษ เช่น ในปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันแบบคัดเลือก ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการในรอบปฏิกิริยาเดียว นิกเกิล – ในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยา นิกเกิลมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนแปลงทางอินทรีย์หลายอย่าง เช่น การออกซิเดชัน การรีดิวซ์ การเกิดปฏิกิริยาเป็นวงรอบ การสร้างพันธะคาร์บอน-เฮเทอโรอะตอม และอื่นๆ เกิดขึ้นในสถานะออกซิเดชันหลายสถานะในสารประกอบ II, III และ IV นิกเกิลเป็นองค์ประกอบที่ค่อนข้างเกิดปฏิกิริยา ขณะเดียวกันก็มีเสถียรภาพทางเคมีสูง โลหะนี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญคือ ราคาถูกกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะทรานซิชันอื่นๆ ซึ่งเป็นสาเหตุที่ว่าทำไมจึงมักใช้เป็นทางเลือกแทนแพลเลเดียม เช่น ในปฏิกิริยาคัปปลิ้ง ทองคำ – ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาบางอย่างเกิดขึ้นต่อหน้าทองคำ กิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับขนาดและโครงสร้างของผลึกอย่างมาก ผลของพวกเขายังขึ้นอยู่กับวิธีการเตรียมด้วย ตัวเร่งปฏิกิริยาทองคำมักเป็นกลุ่มก้อนของธาตุนี้ร่วมกับตัวพาที่เหมาะสม ซึ่งยกตัวอย่าง ให้ออกซิเจนเพียงพอเพื่อเพิ่มกิจกรรมของทองคำต่อไป เชิงซ้อนของโลหะนี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีมากสำหรับปฏิกิริยาสร้างพันธะคาร์บอน-คาร์บอน คาร์บอน-ไนโตรเจน หรือคาร์บอน-ออกซิเจน เนื่องจากสามารถกระตุ้นพันธะคู่และสามได้อย่างง่ายดาย เช่น ในสายโซ่คาร์บอน ตัวอย่างของปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยทองคำ ได้แก่ ปฏิกิริยาออกซิเดชันของคาร์บอน (II) ออกไซด์ ปฏิกิริยาออกซิเดชันของ แอลกอฮอล์ และ อัลดีไฮด์ ปฏิกิริยาอิพอกซิเดชัน ปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันของอัลดีไฮด์ และอื่นๆ

สารประกอบอนินทรีย์

สารประกอบอนินทรีย์ โดยเฉพาะ ออกไซด์ ของโลหะและอโลหะ เกลือ ที่เลือกสรร และกรด เป็นตัวอย่างของตัวเร่งปฏิกิริยาอนินทรีย์ โดยทั่วไป สารเหล่านี้จะสะสมอยู่บนตัวพาพิเศษ ซึ่งเป็นวัสดุที่มีรูพรุน (เช่น คาร์บอน ซิลิกา หรืออลูมินา) ที่รองรับคุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยา (ยิ่งพื้นที่ผิวของตัวพามีขนาดใหญ่ พื้นที่สัมผัสระหว่างตัวทำปฏิกิริยาก็จะยิ่งมากขึ้น) สิ่งสำคัญในการเลือกสารประกอบอนินทรีย์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาคือต้องได้รับคำแนะนำจากจำนวนศูนย์กลางที่ใช้งานอยู่ การมีอยู่ของศูนย์กลางแบบแอคทีฟจำนวนมาก ซึ่งสารตั้งต้นที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาจะจับกับตัวเร่งปฏิกิริยา จะทำให้ผลผลิตของปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น วานาเดียม(V) ออกไซด์ – ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มี V ₂ O ₅ เป็นส่วนประกอบหลักมีประสิทธิภาพในปฏิกิริยาออกซิเดชันเกือบทั้งหมด พวกเขามีบทบาทสำคัญใน อุตสาหกรรมเคมี ในปัจจุบัน การใช้งานที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้คือการผลิตกรดซัลฟิวริก วาเนเดียม(V) ออกไซด์จะเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของซัลเฟอร์ (IV) ออกไซด์ต่อซัลเฟอร์ (VI) ออกไซด์ ซึ่งจากนั้นจะถูกดูดซึมเข้าสู่กรดซัลฟิวริก ในกระบวนการเหล่านี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาวานาเดียมเรียกว่าสิ่งที่เรียกว่าการสัมผัส เนื่องจากมันอยู่ในเฟสที่แตกต่างจากสารตั้งต้นอื่นๆ ในอุตสาหกรรม มักจะใช้ในรูปแบบของตัวพาที่มีเฟสแอคทีฟติดอยู่บนพื้นผิว ข้อได้เปรียบหลัก ได้แก่ จุดวาบไฟต่ำ ความเสถียรระหว่างกระบวนการ หรือค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับฝุ่นสูง นอกเหนือจากการผลิตกรดซัลฟิวริกแล้ว วานาเดียม (V) ออกไซด์ยังใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการผลิตยาง การแตกร้าวของน้ำมัน และการสังเคราะห์สารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงบางชนิด อะลูมิเนียมคลอไรด์ – การใช้อะลูมิเนียมคลอไรด์โดยทั่วไปเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการสังเคราะห์สารอินทรีย์คือปฏิกิริยาอัลคิเลชันของ Friedel-Crafts AlCl ₃ อยู่ในสถานะการรวมกลุ่ม (เฟสของแข็ง) ที่แตกต่างจากสารตั้งต้นอื่นๆ ดังนั้นในกรณีนี้ สารตัวนี้จึงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน คุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่ากรดลิวอิสเรียกว่ากรดลิวอิสในด้านโครงสร้างและคุณสมบัติทางเคมี คุณสมบัติหลักคือความสามารถในการรับคู่อิเล็กตรอนจากฐานลูอิส อะลูมิเนียมคลอไรด์ในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยาและกรดลูอิสรวมกับโมเลกุลหรือชิ้นส่วนที่เลือกไว้หลังจากนั้นจะเกิดสารประกอบเชิงซ้อนของการเปลี่ยนผ่านแล้วสลายตัวเป็นคาร์โบไฮเดรต กรดซัลฟิวริก – กรดซัลฟูริก มีคุณสมบัติในการเร่งปฏิกิริยาแม้ในปริมาณเล็กน้อยสำหรับปฏิกิริยาทางเคมีที่เลือก ตัวอย่างของการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวรวมถึงปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันของ กรดอะซิติก กับเอธานอลหรือปฏิกิริยาไนเตรชันของสารประกอบอะโรมาติก กรดจะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ดังนั้นจึงอยู่ในระบบในเฟสเดียวกับสารตั้งต้นอื่นๆ เนื่องจากเป็นกรดที่แรงมาก เมื่อถูกปล่อยเข้าสู่สภาพแวดล้อมปฏิกิริยา จะปล่อยไอออนไฮโดรเจนที่ขับเคลื่อนกระบวนการ นอกจากนี้คุณสมบัติเพิ่มเติมของกรดซัลฟิวริกคือการดูดความชื้น โมเลกุลของน้ำที่เกิดขึ้นในกระบวนการเอสเทอริฟิเคชันจะถูกจับกันด้วยกรด และสิ่งนี้จะเปลี่ยนสมดุลโดยทำให้เกิดผลิตภัณฑ์มากขึ้น อย่างไรก็ตาม โปรดจำไว้ว่า สิ่งนี้ไม่ได้เกิดจากการเร่งปฏิกิริยา แต่เกิดจากการเปลี่ยนสถานะสมดุลเท่านั้น

ตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ

ตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพเป็นสารประกอบทางเคมีที่กระตุ้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นและเกิดขึ้นภายในร่างกายมนุษย์ พวกมันเป็นองค์ประกอบสำคัญในการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมีทั้งหมด พวกเขาไม่เพียงแต่เร่งการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเท่านั้น แต่ยังแสดงความสามารถในการเลือกสรรบางอย่างในการเร่งปฏิกิริยาที่เลือกอีกด้วย ตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพกลุ่มที่ใหญ่ที่สุดคือเอนไซม์ รวมถึงตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่โปรตีน เช่น ไรโบไซม์ คุณภาพเฉพาะของพวกเขาคือความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ เอนไซม์ – สิ่งเหล่านี้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่คัดเลือกมาอย่างดีซึ่งจะเพิ่มทั้งความเร็วและความสามารถในการเลือกสรรของปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมอย่างมีนัยสำคัญ พวกมันเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต เนื่องจากเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ (หรือตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพ) เอนไซม์จึงถูกผลิตโดยเซลล์ สิ่งเหล่านี้อาจเป็นโปรตีนเชิงเดี่ยวและโปรตีนเชิงซ้อน มีลักษณะเป็นสองกลุ่ม: กลุ่มเทียมและกลุ่มเสริม เอนไซม์กระตุ้นปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันของสารประกอบอินทรีย์ที่ซับซ้อน การถ่ายโอนหมู่ฟังก์ชัน การไฮโดรไลซิสของพันธะประเภทต่างๆ การทำลายพันธะเคมี การเปลี่ยนแปลงของไอโซเมอไรเซชันของโมเลกุล หรือการก่อตัวของพันธะโควาเลนต์ใหม่ บทบาทของพวกเขาในร่างกายมนุษย์ไม่สามารถประเมินสูงเกินไปได้ พวกเขามีส่วนร่วมในกระบวนการที่สำคัญเกือบทั้งหมด ทั้งแบบอะนาโบลิกและแบบคาตาบอลิซึม ด้วยการเร่งปฏิกิริยาที่เลือก ปฏิกิริยาเหล่านี้มีอิทธิพลอย่างมากต่อทิศทางของวิถีเมแทบอลิซึมในร่างกาย