Τύποι Κατάλυσης

Η κατάλυση είναι η διαδικασία κατά την οποία ο ρυθμός της αντίδρασης επηρεάζεται από μια ουσία που δεν αναμειγνύεται ή καταναλώνεται στην όλη αντίδραση και δεν επηρεάζει το τελικό προϊόν. Η διαδικασία περιλαμβάνει πολύπλοκες οργανικές ουσίες με διαφορετική λειτουργική ομάδα. Ο ρυθμός αντίδρασης εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η χημική φύση του αντιδρώντος, η θερμοκρασία, οι συνθήκες κ.λπ. Η συγκεκριμένη ουσία που σχετίζεται με την κατάλυση είναι ο καταλύτης που αυξάνει την παραγωγή χωρίς να καταναλώνει σε αυτήν την αντίδραση.

Ιστορικό

Ο όρος κατάλυση δόθηκε από τον Jons Jacob Berzelius το 1835. Τον δέκατο όγδοο έως τον δέκατο εννέα αιώνα, διάφοροι επιστήμονες παρατήρησαν τη διαδικασία της κατάλυσης σε διαφορετικές αντιδράσεις και ανακάλυψαν διαφορετικές ουσίες που χρησιμοποιούνται ως καταλύτες. Η πρώτη παρατήρηση του καταλύτη καταγράφεται από τον Kirchhoff στη μετατροπή του αμύλου σε ζάχαρη από οξέα. Ο Sir Michael Faraday ανακάλυψε τη δύναμη της πλατίνας στον ανασυνδυασμό αερίου υδρογόνου και οξυγόνου.

Η αρχή της κατάλυσης

Ο καταλύτης μπορεί να γίνει κατανοητός από τα ακόλουθα σημεία:

Όταν υπάρχει καταλύτης στην αντίδραση, θα χρειαστεί λιγότερη ελεύθερη ενέργεια για να φτάσει στη μεταβατική κατάσταση. Η λειτουργία του καταλύτη προσαρμόζει το περιβάλλον της αντίδρασης. Ένας καταλύτης μπορεί να συμβάλει στην αύξηση της θερμότητας του περιβάλλοντος, δεσμεύει το αντιδραστήριο για να πολώσει τους δεσμούς και επίσης βοηθά στη διάσπαση των αντιδραστηρίων και το σχηματισμό δεσμών και το σπάσιμο των δεσμών.

Η λειτουργία ενός καταλύτη μπορεί να γίνει κατανοητή από την εξίσωση Arrhenius, η ενέργεια σπηλαίωσης που είναι Ea καθορίζει την τιμή της σταθεράς ρυθμού K, σε μια δεδομένη θερμοκρασία. Όταν ένας καταλύτης προστίθεται στο σιτηρέσιο, μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης. Έτσι, παρέχει έναν μηχανισμό ώστε η αντίδραση να έχει συμβεί σε χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης.

Τύποι κατάλυσης

Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι καταλυτών που χρησιμοποιούνται για καταλύσεις

1. Ετερογενής κατάλυση
2. Ομογενής κατάλυση

Ετερογενής κατάλυση

Ετερογενής κατάλυση είναι αυτές που δρουν με τις διαφορετικές καταστάσεις των αντιδρώντων. Εάν ο καταλύτης είναι στερεός, τότε θα λειτουργήσει με υγρά και αέρια αντιδρώντα. Η ενεργή θέση αυτού του καταλύτη βρίσκεται στην επιφάνειά του. Τα αντιδρώντα απορροφώνται στην επιφάνεια αυτών των καταλυτών και στη συνέχεια αλληλεπιδρούν με αυτούς. Οι περισσότεροι από τους καταλύτες είναι στερεοί. Παραδείγματα είναι ο ζεόλιθος, η αλουμίνα, ο γραφίτης, τα οξείδια μετάλλων μεταπτώσεως, το νικέλιο Raney, το οξείδιο του βαναδίου κ.λπ.

Οι μηχανισμοί για τις αντιδράσεις ποικίλλουν ανάλογα με την προσρόφηση. Η επιφάνεια του καταλύτη επηρεάζει την αντίδραση. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος του καταλύτη, τόσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια.

Ένα παράδειγμα είναι η διαδικασία Haber. Ο σίδηρος δρα ως καταλύτης στην παραγωγή αμμωνίας από άζωτο και υδρογόνο. Στην αντίδραση, τα αέρια προσροφούνται στην επιφάνεια του σιδήρου.

N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)

Σε αυτή την αντίδραση, τα αντιδρώντα και το προϊόν βρίσκονται στην αέρια φάση ενώ ο καταλύτης Fe βρίσκεται στη στερεή φάση.

Ομογενής κατάλυση

Η ομογενής κατάλυση λειτουργεί στην ίδια φάση με αυτές. Εάν ο καταλύτης είναι στερεός, τότε θα λειτουργήσει σε στερεά αντιδραστήρια και το ίδιο για άλλες φάσεις. Αυτοί οι καταλύτες μπορούν να διαλυθούν σε διαλύτες. Παραδείγματα είναι η υδροσιλυλίωση και η υδροφορμυλίωση.

Η διαδικασία εστεροποίησης του καρβοξυλικού οξέος χρειάζεται ιόντα υδρογόνου.

Τα μέταλλα μεταπτώσεως χρησιμοποιούνται πάντα ως καταλύτες. Ωστόσο, ορισμένες οργανικές ουσίες λειτουργούν και ως καταλύτης. Ονομάζονται οργανοκαταλύτες και υπάγονται σε ομογενείς καταλύτες.

Για παράδειγμα     CH3COOCH3(l) + H2O(l) CH3COOH(l) + CH3OH(l)

Αυτή είναι μια αντίδραση υδρόλυσης οξικού μεθυλεστέρα που καταλύεται από HCl. Εδώ όλα τα αντιδρώντα, τα προϊόντα και ο καταλύτης βρίσκονται σε υγρή κατάσταση.

Σημασία της κατάλυσης

Μια μικρή ποσότητα καταλυτών μπορεί να κάνει μεγάλες αλλαγές στις αντιδράσεις.

Πολλά προϊόντα, όταν κατασκευάζονται, παράγουν μεγάλη ποσότητα υποπροϊόντων που βλάπτει το περιβάλλον. Οι καταλύτες αυξάνουν την ποσότητα του τελικού προϊόντος και μειώνουν τον αριθμό των υποπροϊόντων. Έτσι, προστατεύει το περιβάλλον από επικίνδυνα απόβλητα.

Δεν καταναλώνονται στις αντιδράσεις και μετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης απομακρύνονται από το αντιδρών. Επομένως, δεν επηρεάζουν το προϊόν.

Συμπέρασμα

Οι καταλύτες παίζουν σημαντικό ρόλο σε πολλούς τομείς όπως το περιβάλλον, η χημεία, οι βιομηχανίες κλπ. Είναι βιολογικοί και χημικοί καταλύτες. Χωρίζονται σε δύο τύπους με βάση την κατάσταση της ύλης τους. Το ένα είναι ομοιογενές και το δεύτερο είναι ο ετερογενής καταλύτης. Βοηθά στην αύξηση του ρυθμού αντίδρασης. Βοηθούν επίσης στις διάφορες αντιδράσεις που συμβαίνουν στο σώμα μας.