If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Kurs: Chemia > Rozdział 17

Lekcja 3: Równanie Arrheniusa i mechanizmy reakcji
Nauki przyrodnicze
Chemia
Kinetyka
Równanie Arrheniusa i mechanizmy reakcji
© 2024 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie

Rodzaje katalizatorów

Google Classroom
Co to jest katalizator? Przykłady enzymów, katalizatorów kwasowo-zasadowych, oraz katalizatorów heterogenicznych (powierzchniowych). 

Kluczowe informacje

  • Katalizator to substancja zwiększająca szybkość reakcji nie zużywana w jej efekcie.
  • Katalizatory zwykle przyspieszają rekcję zmniejszając energię aktywacji lub zmieniając mechanizm reakcji.
  • Enzymy są białkami katalizującymi reakcje biochemiczne.
  • Przykładami katalizatorów są enzymy, katalizatory kwasowo-zasadowe oraz katalizatory heterogeniczne (lub powierzchniowe).

Wstęp: Kinetyczny eksperyment myślowy

Twój mózg zasilany jest przez utlenianie glukozy. Utlenianie glukozy może być przedstawione następującym zbilansowanym równaniem reakcji:
C6H12O6(s)+6O2(g)→6CO2(g)+6H2O(l)+heatΔG∘at 25∘C=−2885kJmol
Bez tej reakcji, nauka chemii byłaby dużo trudniejsza. Na szczęście reakcje utleniania jest faworyzowana termodynamicznie w 25∘C ponieważ ΔG∘<0.
przekrój przez ciemne winogrono, około 5 mm grubości
Czy wiesz że glukozę po raz pierwszy wyizolowano z rodzynek? Image from Wikimedia Commons, public domain
Spróbujemy przeprowadzić taką reakcję? Znajdźmy jakieś słodkie pożywienie, na przykład rodzynki, dodajmy trochę tlenu (przetrzymywanie pożywienia na powietrzu wystarczy). Co się stanie?
Czy obserwujemy wydzielenie ciepła? Powstawanie wody i gazowego dwutlenku węgla?
Prawdopodobnie z rodzynkami nic ciekawego się nie stanie - mogą co najwyżej trochę wyschnąć. Mimo że utlenianie glukozy jest termodynamicznie faworyzowane, szybkość reakcji jest bardzo bardzo niska.
Szybkość reakcji zależy od czynników takich jak:
  • Energia aktywacji
  • Temperatura: Jeśli podgrzejesz rodzynki do wystarczająco wysokiej temperatury, dojdzie do zapłonu i utleniania.
Wzrost temperatury powoduje wzrost energii kinetycznej reagujących molekuł, co zwiększa prawdopodobieństwo że będą miały wystarczającą energię do przekroczenia bariery aktywacji.
Jak Twoje ciało rozwiązuje problem utleniania glukozy? Wiemy że nasza temperatura nie jest dużo wyższa niż 25∘C, więc jak to jest że te reakcja przebiega efektywnie w naszych ciałach?
Układy biologiczne wykorzystują katalizatory do zwiększania szybkośći utleniania w niskich temperaturach. W tym artykule powiemy sobie czym jest katalizator i poznamy kilka ich rodzajów.

Czym jest katalizator?

Katalizator to substancja zwiększająca szybkość reakcji nie zużywana w jej efekcie. Ich działanie polega na:
  1. Obniżeniu energii stanu przejściowego przez obniżenie energii aktywacji i/lub:
  2. Zmianę mechanizmu reakcji - co wpływa oczywiście na stan przejściowy i jego energię.
Katalizatory są wszędzie! Wiele procesów biochemicznych zachodzi za pomocą enzymów, białek zachowujących się jak katalizatory.
Innymi powszechnie spotykanymi przykładami katalizatorów są katalizatory kwasowo-zasadowe oraz katalizatory heterogeniczne (lub powierzchniowe).

Przykład: Anhydraza węglowa

Enzym nazywany anhydrazą węglową katalizuje odwracalną (dwustronną) reakcję dwutlenku węgla (CO2)i wody (H2O) w wyniku której powstaje kwas węglowy. Gdy stężenie CO2 w ciele jest zbyt wysokie, anhydraza węglowa katalizuje następującą reakcję:
CO2+H2O→H2CO3
Regulując stężenie kwasu węglowego we krwi i w tkankach, enzym utrzymuje właściwy poziom pH w ciele.
Trójwymiarowy obraz ludzkiej anhydrazy węglowej II. W centrum białka widać szarą sferę - to jon cynku.
Wizualizacja ludzkiej anhydrazy węglowej II. Czyż chemia nie jest piękna? Szara sfera w środku białka to jon cynku. Image from Wikimedia Commons, public domain
Anhydraza węglowa jest jednym z najszybszych znanych enzymów - około 104 i 106 reakcji na sekundę. Dla porównania, niekatalizowana reakcja ma szybkość ~0,2 reakcji na sekundę. Daje nam to wzrost szybkości rzędu ~105−107!!
Poniższy wykres pokazuje diagram energii dla w/w reakcji tworzenia kwasu węglowego. Reakcja niekatalizowana to linia czerwona, a katalizowana - niebieska.
Schemat reakcji katalitycznej (katalizowanej przez anhydrazę węglową w obecności wysokich stężeń dwutlenku węgla) pokazującą różnicę w energii aktywacji w niekatalizowanej i katalizowanej reakcji. Ogólna energia układu nie zmienia się, ponieważ w przypadku obydwóch reakcji produkty i substraty mają te same energie.
Diagram energii dla reakcji wody z dwutlenkiem węgla w wyniku której powstaje kwas węglowy. Dodanie katalizatora( niebieska linia) obniża energię stanu przejściowego, ale nie zmienia ΔHrxn w porównaniu z reakcją niekatalizowaną (linia czerwona). Image from Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Katalizator obniża energię stanu przejściowego reakcji. Ponieważ energia aktywacji to różnica energii między stanem przejściowym a energią substratów, obniżenie energii stanu przejściowego zmniejsza również energię aktywacji.
Zauważ że energie produktow i substratów są identyczne bez względu na to czy reakcja jest katalizowana, czy nie. W związku z tym energia wyzwolona w reakcji ΔHrxn nie zmienia się w wyniku dodania enzymu. Podkreśla to bardzo ważną rzecz: kinetyka reakcji tzn. jej szybkość nie jest bezpośrednio powiązana z jej termodynamiką.

Katalizatory kwasowo-zasadowe

W katalizie kwasowej, katalizatorem jest zwykle jon H+, a w zasadowej - jon OH−.
Przykładem reakcji katalizowanej przez kwas jest hydroliza sacharozy - zwykłego cukru stołowego. Sacharoza jest kombinacją dwóch prostszych cukrów (monosacharydów): glukozy i fruktozy. Po dodaniu kwasu lub enzymu zwanego sacharazą, sacharoza może być rozdzielona na glukozę i fruktozę w reakcji pokazanej poniżej:
Sacharoza reaguje odwracalnie z protonem,H+, dając sprotonowaną glukozę w której sprotonowany jest tlen łączący glukozę z fruktozą. Sprotonowana glukoza odwracalnie reaguje z wodą dając jedną molekułę glukozy, jedną fruktozy i H+.
Katalizowana kwasem reakcja powodująca powstawanie glukozy i fruktozy z sacharozy - cukru stołowego.
W pierwszym kroku zachodzi reakcja odwracalna z H+ (na czerwono) protonująca sacharozę. Sprotonowana sacharoza odwracalnie reaguje z wodą (na niebiesko), dając jeden mol glukozy i jeden fruktozy. Można to zapisać w następujący sposób:
Sacharoza+H2O→kataliza kwasowaGlukoza+Fruktoza
Ponieważ H+ pojawia się po dwóch stronach reakcji w równych ilościach, nie jest zużywany w trakcie reakcji, w związku z czym nie zapisuje się go po żadnej ze stron reakcji.

Kataliza heterogeniczna i powierzchniowa.

Katalizator heterogeniczny jest w innej fazie (stanie skupienia) niż substraty reakcji. Przykladowo, katalizator może być w fazie stałej, a substraty w fazie ciekłej lub gazowej.
Przykładem katalizatora heterogenicznego jest katalizator samochodowy w samochodach benzynowych lub z silnikiem Diesla. Katalizatory samochodowe właściwości katalityczne zawdzięczają metalom przejściowym osadzonym na stałym podłożu. Katalizator w kontakcie z strumieniem spalin samochodu zwiększa szybkość reakcji faworyzujących tworzenie się mniej toksycznych produktów z zanieczyszczeń takich jak tlenek węgla czy niespalone paliwo.
Przekrój przez metalową rurę pokazujący porowatą strukturę katalizatora w fazie stałej.
Katalizator w fazie stałej w katalizatorze samochodowym zmniejsza emisje toksycznych gazów, niespalonego paliwa i cząstek stałych. Podłoże zaprojektowane jest w ten sposób, by jak największa powierzchnia mogła reagować ze strumieniem spalin. Image from Oak Ridge National Laboratory on flickr, CC BY-NC-ND 2.0
Katalizator samochodowy jest przykładem katalizy powierzchniowej, gdzie molekuły substratów przed reakcją z katalizatorem są adsorbowane na powierzchni. Szybkość reakcji katalizowanej powierzchniowo zwiększa się z powierzchnią kontaktu katalizatora z substratem. W związku z tym podłoże w katalizatorze samochodowym musi mieć jak największą powierzchnie - stąd porowata struktura plastra miodu.
Innym przykładem katalizy heterogenicznej i powierzchniowej jest proces używany w produkcji plastików ( lub polimerów) takich jak polietylen. Katalizatory tego typu to nazywane są katalizatorami Zieglera-Natty i używane są do produkcji przeróżnych plastikowych rzeczy - od folii śniadaniowej do pudełek na jogurty. Metale przejściowe osadzane są na stałym podłożu przed reakcją z materiałami początkowymi ( zwanymi monomerami) w fazie ciekłej lub gazowej.
Prześwietlenie pokazujące prawe biodro ( z lewej strony). Nasada kości zastąpiona została przez metalową kulę, a w miejsce kości udowej wstawiono biały plastik (dobrze widoczny na prześwietleniu).
Polietylen stosuje się w sztucznych stawach! Na tym prześwietleniu widać staw złożony z metalowej kuli w polietylenowym gnieździe. Image from Wikimedia Commons, public domain
Mimo że substraty są w fazie gazowej, polimer będący produktem reakcji jest ciałem stałym. Można to przedstawić w analogii do popcornu: jądro kukurydzy jest katalizatorem na stałym podłożu. Gazowe monomery reagują budując warstwy polimeru na powierzchni katalizatora, tworząc "popkornowy" kawałek polimeru, Chemia−prawie jak magia!

Podsumowanie

  • Katalizator to substancja zwiększająca szybkość reakcji nie zużywana w jej efekcie.
  • Katalizatory zwykle przyspieszają rekcję zmniejszając energię aktywacji lub zmieniając mechanizm reakcji.
  • Enzymy są białkami katalizującymi reakcje biochemiczne.
  • Przykładami katalizatorów są enzymy, katalizatory kwasowo-zasadowe oraz katalizatory heterogeniczne (lub powierzchniowe).

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się
Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.