NộI Dung
Trong hóa học, một chất xúc tác là một chất làm tăng tốc độ phản ứng mà không bị tiêu hao trong phản ứng. Bất kỳ phản ứng nào sử dụng chất xúc tác đều được gọi là xúc tác. Hãy cẩn thận về sự khác biệt này khi đọc tài liệu hóa học; một chất xúc tác ("chất xúc tác" số nhiều) là một chất vật lý, nhưng xúc tác ("chất xúc tác" số nhiều) là một quá trình.
Tổng quan về từng loại chất xúc tác là điểm khởi đầu hữu ích trong việc học hóa học phân tích và hiểu những gì xảy ra ở cấp độ phân tử khi bạn trộn các chất lại với nhau và xảy ra phản ứng. Chất xúc tác và các phản ứng xúc tác liên quan của chúng có ba loại chính: chất xúc tác đồng thể, chất xúc tác không đồng nhất và chất xúc tác sinh học (thường được gọi là enzyme). Các loại hoạt động xúc tác ít phổ biến hơn nhưng vẫn quan trọng bao gồm quang xúc tác, xúc tác môi trường và các quá trình xúc tác xanh.
Đặc điểm chung của chất xúc tác
Phần lớn các chất xúc tác rắn là kim loại (ví dụ: bạch kim hoặc niken) hoặc kim loại gần (ví dụ: silicon, boron và nhôm) được gắn vào các nguyên tố như oxy và lưu huỳnh. Các chất xúc tác trong pha lỏng hoặc khí có nhiều khả năng bao gồm một nguyên tố duy nhất, mặc dù chúng có thể được kết hợp với dung môi và vật liệu khác, và chất xúc tác rắn có thể được phổ biến trong ma trận rắn hoặc lỏng được gọi là chất hỗ trợ xúc tác.
Chất xúc tác tăng tốc độ phản ứng bằng cách hạ thấp năng lương̣̣ kich hoaṭ Emột về một phản ứng sẽ tiến hành mà không có chất xúc tác, nhưng chậm hơn rất nhiều. Phản ứng như vậy có một sản phẩm hoặc sản phẩm có tổng năng lượng thấp hơn năng lượng của chất phản ứng hoặc chất phản ứng; đây không phải là trường hợp, những phản ứng này sẽ không xảy ra nếu không bổ sung năng lượng bên ngoài. Nhưng để chuyển từ trạng thái năng lượng cao hơn sang trạng thái năng lượng thấp hơn, các sản phẩm phải "vượt qua bướu" trước tiên, "bướu" đó là Emột. Các chất xúc tác về bản chất làm dịu các va đập dọc theo đường năng lượng phản ứng bằng cách làm cho các chất phản ứng dễ dàng tiếp cận với năng lượng "xuống dốc" của phản ứng bằng cách hạ thấp độ cao của "đỉnh đồi".
Các hệ thống hóa học có các ví dụ về các chất xúc tác tích cực và tiêu cực, trước đây có xu hướng tăng tốc độ phản ứng và các chất xúc tác tiêu cực phục vụ để làm chậm chúng. Cả hai đều có thể là lợi thế, tùy thuộc vào kết quả cụ thể mong muốn.
Hóa chất xúc tác
Các chất xúc tác thực hiện công việc của chúng bằng cách liên kết tạm thời hoặc thay đổi hóa học một trong các chất phản ứng và thay đổi hình dạng vật lý của nó, hoặc hình dạng ba chiều, theo cách giúp chất phản ứng hoặc chất phản ứng dễ dàng chuyển thành một trong các sản phẩm. Hãy tưởng tượng có một con chó đã lăn trong bùn và cần được làm sạch trước khi nó có thể vào bên trong. Bùn cuối cùng sẽ tự thoát ra khỏi con chó, nhưng nếu bạn có thể làm điều gì đó đẩy con chó theo hướng vòi phun nước để bùn sẽ được phun ra khỏi lông một cách nhanh chóng, bạn sẽ có tác dụng như một "chất xúc tác "của con chó bẩn đến con chó sạch" phản ứng. "
Thông thường, một sản phẩm trung gian không có trong bất kỳ bản tóm tắt thông thường nào về phản ứng được hình thành từ chất phản ứng và chất xúc tác, và khi phức chất này được thay đổi thành một hoặc nhiều sản phẩm cuối cùng, chất xúc tác được tái sinh như thể không có gì xảy ra với bất kỳ nó ở tất cả Như bạn sẽ thấy ngay, quá trình này có thể diễn ra theo nhiều cách khác nhau.
Xúc tác đồng thể
Một phản ứng được xem xét xúc tác đồng nhất khi chất xúc tác và (các) chất phản ứng ở cùng trạng thái hoặc pha vật lý. Điều này thường xảy ra với các cặp chất xúc tác-chất phản ứng khí. Các loại chất xúc tác đồng nhất bao gồm các axit hữu cơ trong đó nguyên tử hydro được tặng được thay thế bằng kim loại, một số hợp chất pha trộn các nguyên tố carbon và kim loại ở dạng nào đó và các hợp chất carbonyl được nối với coban hoặc sắt.
Một ví dụ về loại xúc tác liên quan đến chất lỏng là sự chuyển đổi các ion Persulphate và iodide thành ion sunfat và iốt:
S2Ôi82- + 2 tôi- → 2 SO42- + Tôi2
Phản ứng này sẽ có một thời gian khó khăn để tự mình tiến hành mặc dù có năng lượng thuận lợi, bởi vì cả hai chất phản ứng đều tích điện âm và do đó chất lượng tĩnh điện của chúng trái ngược với phẩm chất hóa học của chúng. Nhưng nếu các ion sắt mang điện tích dương được thêm vào hỗn hợp thì sắt sẽ "đánh lạc hướng" các điện tích âm và phản ứng di chuyển nhanh về phía trước.
Một chất xúc tác đồng thể khí tự nhiên xuất hiện là sự chuyển đổi khí oxy, hoặc O2, trong khí quyển đến ozone, hoặc O3, nơi các gốc oxy (O-) là trung gian. Ở đây, tia cực tím từ mặt trời là chất xúc tác thực sự, nhưng mọi hợp chất vật lý có mặt đều ở trạng thái (khí) giống nhau.
Xúc tác không đồng nhất
Một phản ứng được xem xét xúc tác không đồng nhất khi chất xúc tác và (các) chất phản ứng ở các pha khác nhau, với phản ứng xảy ra ở giao diện giữa chúng (phổ biến nhất là "đường viền" rắn khí). Một số chất xúc tác không đồng nhất phổ biến hơn bao gồm vô cơ - nghĩa là không chứa carbon - các chất rắn như kim loại nguyên tố, sunfua và muối kim loại, cũng như làm tan các chất hữu cơ, trong đó có hydroperoxide và trao đổi ion.
Zeolit là một lớp xúc tác không đồng nhất quan trọng. Đây là những chất rắn kết tinh được tạo thành từ các đơn vị lặp lại của SiO4. Các đơn vị của bốn trong số các phân tử được nối này được liên kết với nhau để tạo thành các cấu trúc vòng và lồng khác nhau. Sự hiện diện của một nguyên tử nhôm trong tinh thể tạo ra sự mất cân bằng điện tích, được bù bởi một proton (tức là, một ion hydro).
Enzyme
Enzyme là các protein có chức năng xúc tác trong các hệ thống sống. Các enzyme này có các thành phần được gọi là các vị trí liên kết cơ chất, hoặc các vị trí hoạt động, trong đó các phân tử tham gia vào phản ứng dưới sự xúc tác trở nên gắn kết. Các bộ phận cấu thành của tất cả các protein là các axit amin và mỗi axit riêng lẻ này có sự phân bố điện tích không đều từ đầu này sang đầu kia. Tính chất này là lý do chính enzyme có khả năng xúc tác.
Vị trí hoạt động trên enzyme khớp với phần chính xác của chất nền (chất phản ứng) chứ không giống như một chiếc chìa khóa đi vào ổ khóa. Lưu ý rằng các chất xúc tác được mô tả trước đây thường xúc tác cho một loạt các phản ứng không giống nhau và do đó không có mức độ đặc hiệu hóa học mà các enzyme làm.
Nói chung, khi có nhiều chất nền và nhiều enzyme hơn, phản ứng sẽ tiến hành nhanh hơn. Nhưng nếu càng nhiều chất nền được thêm vào mà không thêm nhiều enzyme nữa, tất cả các vị trí gắn enzyme đều trở nên bão hòa và phản ứng đã đạt đến tốc độ tối đa cho nồng độ enzyme đó. Mỗi phản ứng được xúc tác bởi một enzyme có thể được biểu diễn dưới dạng các sản phẩm trung gian được hình thành do sự hiện diện của enzyme. Đó là, thay vì viết:
S → P
để hiển thị một chất nền được chuyển thành sản phẩm, bạn có thể mô tả điều này như sau:
E + S → ES → E + P
trong đó thuật ngữ giữa là phức hợp enzyme-cơ chất (ES).
Enzyme, mặc dù được phân loại là loại chất xúc tác khác biệt với các chất được liệt kê ở trên, có thể là đồng nhất hoặc không đồng nhất.
Enzyme hoạt động tối ưu trong một phạm vi nhiệt độ hẹp, điều này hợp lý khi nhiệt độ cơ thể bạn không dao động quá vài độ trong điều kiện bình thường. Nhiệt độ cực cao phá hủy nhiều enzyme và khiến chúng mất hình dạng ba chiều cụ thể, một quá trình gọi là biến tính áp dụng cho tất cả các protein.