Kimyada katalizörler. Onlar neler? Türleri nelerdir?

Hangi maddeler katalizör olabilir?

Katalizlenen kimyasal işlemler ve reaksiyonlar, katalizör adı verilen belirli belirli maddelerin varlığında meydana gelir. Sistemlerdeki öncelikli görevleri, sürecin hızını doğrudan artıran aktivasyon enerjisini azaltmaktır. Katalizör seçimi, örneğin proses verimliliğinin bağlı olduğu önemli bir konudur. Çekirdek-kabuk tipindeki spesifik kimyasal bileşikler veya sistemler genellikle katalizör olarak kullanılır. Katalizörlerin temel özellikleri ve sistemlerdeki görevleri:

• Bir reaksiyonda katalizörün varlığı , substratlar veya ürünlerle reaksiyona girmediğinden, kimyasal reaksiyonun moleküler denklemine dahil edilmez.
• Reaksiyon bittiğinde katalizör geri kazanılır. Dolayısıyla katalitik reaksiyon döngüsel olarak tanımlanabilir.
• Katalizör, kimyasal reaksiyonun elde edilen ürünlerinden kolayca ayrılabilmelidir.
• Katalizör reaksiyonun denge durumunu hiçbir şekilde etkilemez ve bu nedenle termodinamiğini değiştirmez.
• Katalizörlerin üç temel özelliği olmalıdır: yüksek aktivite, yüksek seçicilik ve zaman içinde kararlılık.
• Katalizörlerin, doğru gözenek boyutu, kristal fazı, ezilme mukavemeti, indirgeme derecesi, akışkanlaştırma özellikleri, giyilebilirlik, ortalama kimyasal bileşim, etkili yüzey alanı, tane boyutu ve diğerleri dahil olmak üzere, yapıları hakkında bir dizi temel varsayımı karşılaması gerekir.

Ayrıca okuyun: kataliz .

Katalizör örnekleri

Metaller

Metaller endüstride kolaylıkla kullanılan çok iyi katalizörlerdir. Geçiş metalleri özellikle ilgi çekicidir çünkü iki veya daha fazla oksidasyon durumunda mevcut olabilirler, örneğin demir(II) oksit veya demir(III) oksitte demir. Bu metaller, diğer moleküllere kolayca elektron bağışlamalarına ve onlardan elektron kabul etmelerine olanak tanıyan, tam olarak doldurulmamış d yörüngelerine sahiptir. Son yıllarda metalik nanopartiküller temelinde oluşturulan katalizörler, benzersiz özelliklerinden dolayı giderek önem kazanmıştır. Platin – Örneğin organik sentezde fonksiyonel grup hidrojenasyonu veya dehidrojenasyon proseslerinde kullanılan bir metal. Bu madde kimyasal olarak inerttir ve oksitleyici ortamlarda stabildir ve yüksek nem içeriğine sahiptir. 450 ᵒC’nin üzerindeki sıcaklıklarda yüzeyinde bir platin dioksit filmi oluşur . Bileşiklerdeki platin çeşitli oksidasyon durumlarında meydana gelir, ancak genellikle bir katalizör olarak II veya IV değerlerini alır. Platin, kimya teknolojisindeki kullanımının yanı sıra otomotiv katalitik konvertörlerinde de kullanılıyor. Araç egzozundaki toksik karbon(II) okside oksijen atomlarını bağlama yeteneğine sahiptir. Bu, önemli ölçüde daha az zararlı karbondioksit üretir. Paladyum – Paladyum katalizörleri siklizasyon, hidrojenasyon, oksidasyon, izomerizasyon, radikal reaksiyonlar ve diğerleri gibi bir dizi organik reaksiyonda rol oynar. Farklı fonksiyonel gruplara karşı yüksek tolerans gösterirler ve sıklıkla mükemmel stereoseçicilik sağlayarak spesifik koruma gruplarına olan ihtiyacı ortadan kaldırmaya yardımcı olurlar . Ek olarak paladyum katalizörleri, örneğin seçici hidrojenasyonda özellikle etkilidir ve tek bir reaksiyon döngüsünde istenen ürünlerin elde edilmesini mümkün kılar. Nikel – Bir katalizör olarak nikel, oksidasyon, indirgeme, siklizasyon, karbon-heteroatom bağı oluşumu ve diğerleri gibi birçok organik dönüşümde anahtar rol oynar. Bileşik II, III ve IV’te çeşitli oksidasyon durumlarında meydana gelir. Nikel nispeten reaktif bir elementtir ve aynı zamanda yüksek kimyasal stabilite gösterir. Bu metalin büyük bir avantajı vardır; diğer geçiş metali katalizörlerinden daha ucuzdur, bu nedenle örneğin birleştirme reaksiyonlarında sıklıkla paladyum katalizörlerine alternatif olarak kullanılır. Altın – Bazı katalitik reaksiyonlar altın varlığında gerçekleştirilir. Katalitik aktivitesi büyük ölçüde kristalitlerin boyutuna ve yapısına bağlıdır. Etkileri aynı zamanda hazırlama yöntemine de bağlıdır. Altın katalizörleri genellikle bu elementin, örneğin altının aktivitesini daha da arttırmak için yeterli oksijen sağlayan uygun bir taşıyıcıyla birlikte oluşturduğu kümelerden oluşur. Bu metalin kompleksleri, karbon-karbon, karbon-nitrojen veya karbon-oksijen bağı oluşturan reaksiyonlar için çok iyi katalizörlerdir çünkü örneğin karbon zincirlerindeki çift ve üçlü bağları kolaylıkla aktive edebilirler. Altın tarafından katalize edilen reaksiyonların örnekleri arasında karbon(II) oksidin oksidasyonu, alkollerin ve aldehitlerin oksidasyonu, epoksidasyon reaksiyonları, aldehitlerin hidrojenasyonu ve diğerleri yer alır.

İnorganik bileşikler

İnorganik bileşikler, özellikle metal ve metal olmayan oksitler , seçilmiş tuzlar ve asitler, inorganik katalizörlerin örnekleridir. Tipik olarak bu maddeler, katalitik özelliklerini destekleyen (taşıyıcının yüzey alanı ne kadar büyük olursa, reaktanlar arasındaki temas alanı da o kadar büyük olur) gözenekli malzemeler (örneğin karbon, silika veya alümina) olan özel taşıyıcılar üzerinde biriktirilir. İnorganik bir bileşiği katalizör olarak seçmenin önemli bir yönü, sahip olduğu aktif merkezlerin sayısına göre yönlendirilmesidir. Katalizlenen reaksiyonda yer alan reaktanların bağlandığı çok sayıda aktif merkezin varlığı reaksiyonun verimini arttırır. Vanadyum(V) oksit – _Ana bileşeni _V205 olan katalizörler hemen hemen tüm oksidasyon reaksiyonlarında etkilidir. Günümüzün kimya endüstrisinde önemli bir rol oynamaktadırlar. Bu katalizörlerin en önemli uygulamalarından biri sülfürik asit üretimidir. Vanadyum(V) oksit, kükürt(IV) oksidin sülfür(VI) okside oksidasyonunun reaksiyonunu katalize eder ve bu daha sonra sülfürik asit tarafından emilir. Bu işlemlerde vanadyum katalizörü, diğer reaktanlardan farklı bir fazda olduğundan kontak olarak anılır. Endüstride genellikle yüzeyine aktif faz uygulanan taşıyıcı formunda kullanılır. Başlıca avantajları arasında düşük parlama noktası, işlem sırasında stabilite veya yüksek toz emme katsayısı yer alır. Vanadyum(V) oksit, sülfürik asit üretiminin yanı sıra kauçuk üretiminde, yağın parçalanmasında ve bazı yüksek molekül ağırlıklı bileşiklerin sentezinde katalizör olarak kullanılır. Alüminyum klorür – Alüminyum klorürün organik sentezde katalizör olarak en yaygın kullanımı Friedel-Crafts alkilasyon reaksiyonudur. _AlCl3 diğer reaktanlardan farklı bir toplanma durumundadır (katı faz), dolayısıyla bu durumda heterojen kataliz söz konusudur. Katalitik özellikleri temel olarak kimyasal yapısı ve özellikleri bakımından Lewis asidi olarak adlandırılan bir madde olmasına dayanmaktadır. Ana özelliği Lewis bazlarından elektron çiftlerini kabul edebilme yeteneğidir. Bir katalizör ve Lewis asidi olarak alüminyum klorür, seçilen moleküller veya bunların parçaları ile birleşir, ardından geçiş kompleksleri oluşur ve daha sonra karbokatyonlara parçalanır. Sülfürik asit – Sülfürik asit, seçilen kimyasal reaksiyonlar için küçük miktarlarda bile katalitik özellikler sergiler. Böyle bir dönüşümün örnekleri arasında asetik asidin etanol ile esterifikasyon reaksiyonu veya aromatik bileşiklerin nitrasyon reaksiyonu yer alır. Asit daha sonra homojen bir katalizör görevi görür ve bu nedenle sistemde diğer reaktanlarla aynı fazda bulunur. Çok güçlü bir asit olarak reaksiyon ortamına girdiğinde prosesleri ilerleten hidrojen iyonlarını serbest bırakır. Ayrıca sülfürik asidin ek bir özelliği de higroskopikliğidir. Esterleştirme işleminde oluşan su molekülleri asit tarafından bağlanır ve bu durum dengeyi değiştirerek daha fazla ürünün oluşmasını sağlar. Ancak bunun reaksiyonun katalize edilmesinden kaynaklanmadığını, yalnızca denge durumundaki değişimden kaynaklandığını unutmayın.

Biyokatalizörler

Biyokatalizörler, insan vücudunda meydana gelen ve ortaya çıkan reaksiyonları katalize eden kimyasal bileşiklerdir. Bunlar tüm biyokimyasal dönüşümlerde çok önemli unsurlardır. Sadece bu tür dönüşümleri hızlandırmakla kalmıyorlar, aynı zamanda seçilen reaksiyonları katalize etmede belirli bir seçicilik de sergiliyorlar. Biyokatalizörlerin açık ara en büyük grubu, protein olmayan katalizörler yani ribozimler de dahil olmak üzere enzimlerdir. Onların spesifik kalitesi otokataliz yeteneğidir. Enzimler – Bunlar, metabolik reaksiyonların hem hızını hem de seçiciliğini önemli ölçüde artıran oldukça seçici katalizörlerdir. Organizmanın tüm kimyasal reaksiyonlarında rol alırlar. Organik katalizörler (veya başka şekilde biyokatalizörler) olarak enzimler, hücreler tarafından üretilir. Bunlar basit proteinler olabileceği gibi karmaşık proteinler de olabilir. İki grubun varlığıyla karakterize edilirler: protez grubu ve aoferment. Enzimler, karmaşık organik bileşiklerin oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonlarını, fonksiyonel grupların transferini, çeşitli tipteki bağların hidrolizini, kimyasal bağların yok edilmesini, moleküllerin izomerizasyonunun değişmesini veya yeni kovalent bağların oluşumunu katalize eder. İnsan vücudundaki rolleri fazla tahmin edilemez. Hem anabolik hem de katabolik olmak üzere hemen hemen tüm hayati süreçlerde yer alırlar. Seçilen reaksiyonları katalize ederek vücuttaki metabolik yolların yönünü önemli ölçüde etkilerler.