Katalüüs

Allikas: Vikipeedia
Tüüpiline neljas staadiumis kulgeva katalüütilise reaktsiooni (punane joon) energia diagramm võrreldes mittekatalüütilise reaktsiooniga (must joon). Siin Ea on aktivatsioonienergia ja ΔG on Gibbsi vabaenergia.

Katalüüs on keemilise reaktsiooni kiiruse muutus tänu reaktsioonis osalevale spetsiifilisele lisandile, mida nimetatakse katalüsaatoriks. Erinevalt reagentidest katalüsaator reaktsioonitsükli jooksul taastub (regenereerub).

Katalüsaatori osalusel toimuvat reaktsiooni nimetatakse katalüütiliseks reaktsiooniks. Tavaliselt katalüsaator osaleb reaktsiooni kõige aeglasemas staadiumis ja mõjutab seetõttu keemilise protsessi kiirust. Seejuures katalüsaatori mõju sõltub katalüsaatori aktiivsusest ja kogusest; harilikult piisab juba väga väikesest kogusest. Tahke katalüsaatori korral võivad reaktsiooni kiirust määravateks osutuda reagentide ja produktide difusiooniprotsessid.

Katalüüsi olemusest[muuda | redigeeri lähteteksti]

Katalüütilise reaktsiooni olemuse määrab katalüsaatori osavõtt mingist reaktsiooni staadiumi(te)st ja selle regenereerumine. Näide tüüpilisest katalüütilisest reaktsioonist, milles reagentide (X ja Y) liitumisel moodustub produkt (Z) katalüsaatori (Kat) juuresolekul.

1. X + Kat → XKat
2. Y + XKat → XYKat
3. XYKat → ZKat
4. ZKat → Z + Kat

Kõrvaloleval joonisel on skemaatiline energia muutus reaktsiooni käigus piki reaktsioonikoordinaati. Summaarne reaktsiooni tulemus – produkt ja soojusefekt on sama, mis katalüsaatori puudumisel, kuid katalüsaatori osalusel staadiumide ja intermediaatide arv suureneb, kusjuures aktivatsioonienergia on madalam ning seetõttu produkti moodustumise kiirus suurem.

X + Y → Z

Katalüüsiga seotud mõisteid[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Katalüsaator on keemilise reaktsiooni kiirust mõjutav aine. Ensüümid on bioloogilised katalüsaatorid.
  • Katalüsaatorid, mis suurendavad reaktsiooni kiirust, nimetatakse positiivseteks katalüsaatoriteks. Sel juhul katalüütilise reaktsiooni kiirust limiteeriva staadiumi aktiveerimisenergia on madalam võrreldes mittekatalüütilise reaktsiooniga..
  • Ained, mis suurendavad katalüsaatori aktiivsust, nimetatakse promootoriteks.
  • Aineid, mis vähendavad reaktsiooni kiirust või takistavad selle toimumist, nimetatakse reaktsiooni inhibiitoriteks.
  • Ehkki katalüsaatorid reaktsiooni tsüklis regenereeruvad, võib nende efektiivsus protsessi käigus väheneda mitmete sekundaarsete toimete tõttu (deaktiveerumine, lagunemine, süsteemist väljumine jm). Aineid, mis deaktiveerivad katalüsaatori pöördumatult, nimetatakse katalüsaatorimürkideks.
  • Heterogeense katalüüsi korral on katalüsaator erinevas faasis võrreldes reagentidega. Siin faas tähendab agregaatolekut, aga ka mittesegunevaid vedelikke nagu õli ja vesi.Gaasiliste või lahuses olevate reagentidega kasutatakse tihti tahkeid katalüsaatoreid. Tahke katalüsaatori aktiivsus on määratud pinna-aatomite poolt.
  • Katalüsaatori kandja on tahke suure eripinnaga materjal, millele on fikseeritud katalüsaator. Enimkasutatavad on aktiivsüsi, alumiiniumoksiid, silikageel.
  • Homogeense katalüüsi korral on katalüsaator reagentidega samas faasis, tavaliselt lahustatuna samas solvendis.
  • Hape-aluskatalüüsi (happelis-aluselise katalüüsi) korral on tegemist hapekatalüüsiga (katalüsaatoriks on hape, tihti H+) või aluskatalüüsiga (katalüsaatoriks on alus, tihti OH-).
  • Redutseeriv-oksüdeeriva katalüüsi korral on katalüsaatoriteks metallid, nende oksiidid või sulfiidid.
  • Organokatalüüsi korral kasutatakse reaktsiooni kiiruse suurendamiseks teatud orgaanilisi ühendeid, mis sisaldavad heteroaatomeid, kuid ei sisalda metallide aatomeid. Seejuures tihti tuleb kasutada suhteliselt suurt katalüsaatori kogust.
  • Autokatalüüs on keemilise reaktsiooni kiirenemine ühe reaktsiooniprodukti kui katalüsaatori toimel.
  • Biokatalüüs ehk ensüümkatalüüs on spetsiaalsete proteiinideensüümide (fermentide) kasutamine keemilises reaktsioonis. Ensüümid toimivad vaid mõõdukatel temperatuuridel. Ensüümid on ka kääritamisprotsessides ja elavates rakkudes toimuvate keemiliste protsesside katalüsaatorid.
  • Immobiliseeritud ensüüm on inertse lahustumatu materjaliga seotud ensüüm
  • Aktiivtsenter (active site) on heterogeense või ensüümkatalüsaatori molekuli piirkond, kus toimub substraadi sidumine ja katalüüs
  • Initsiaator erineb põhimõtteliselt katalüsaatorist. Initsiaatorid algatavad radikaalreaktsioone, kusjuures initsiaator reaktsiooni käigus kasutatakse ära.

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuna katalüüs võimaldab kiirendada keemilisi reaktsioone ilma täiendava energiakuluta, siis rakendatakse seda laialdaselt keemiatööstuses: väävelhappe tootmine, ammoniaagi süntees,rasvade hüdrogeenimine, nafta krakkimine, kütuste hüdrogeenimine, keemiline süntees, polümerisatsioon, alküülimine, isomeriseerimine, oksüdeerimine, hüdratiseerimine, halogeenimine jm.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]