تأثیر کاتالیزگر بر واکنش های شیمیایی

کاتالیزگر چیست و چگونه بر واکنش های شیمیایی تأثیر می گذارد؟
کاتالیزگر ماده ای است که سرعت واکنش شیمیایی را افزایش می دهد، اما در اثر واکنش مصرف نمی شود. از این رو می توان یک کاتالیزگر را در پایان واکنشی که برای سرعت بخشیدن از آن استفاده شده است، بدون تغییر بازیابی کرد. کاتالیزگرها معمولاً با کاهش انرژی فعال سازی یا تغییر مکانیسم واکنش، سرعت واکنش را افزایش می دهند.

به عنوان مثال آنزیم ها پروتئین هایی هستند که به عنوان کاتالیزگر در واکنش های بیوشیمیایی عمل می کنند یک مثال برای کاتالیزگر هستند. انواع متداول کاتالیزگر یا کاتالیزور شامل آنزیم، کاتالیزگر اسید و باز و کاتالیزگر همگن و ناهمگن است.

کاتالیزگرها همه جا هستند. بسیاری از فرایندهای بیوشیمیایی، مانند اکسیداسیون گلوکز، به شدت به آنزیم ها ( پروتئین هایی که به عنوان کاتالیزگر رفتار می کنند)، وابسته می باشند.

تأثیر کاتالیزگر بر واکنش ها:
انرژی مورد نیاز مغز شما از طریق اکسیداسیون گلوکز تأمین می شود. از آنجا که اکسیداسیون گلوکز در طبیعت یک واکنش بسیار کند است بنابراین باید انرژی مورد نیاز مغز شما به آهستگی تامین شود. اما سیستم های بیولوژیکی بدن شما از کاتالیزگرها برای افزایش سرعت واکنش اکسیداسیون استفاده می کنند تا در دماهای پایین با سرعت بیشتری انرژی مورد نیاز مغز شما تامین گردد.

برای واکنش مواد شیمیایی، پیوندهای آنها باید مرتب شود، زیرا پیوندهای محصولات با پیوندهای واکنش دهنده ها متفاوت است. کندترین مرحله در بازآرایی پیوند، چیزی را ایجاد می کند که حالت گذار نامیده می شود - گونه ای شیمیایی که نه یک واکنش دهنده است و نه یک محصول، بلکه واسطه ای بین این دو است. برای تشکیل حالت گذار انرژی لازم است. این انرژی را انرژی فعال سازی یا E a می نامند.

نکته:
انرژی فعال سازی را می توان مانعی در برابر واکنش شیمیایی تصور کرد، مانعی که باید از آن عبور کرد. اگر سد زیاد باشد، تعداد کمی از مولکول ها انرژی جنبشی کافی برای برخورد، ایجاد حالت گذار و عبور از سد را دارند. واکنش دهنده های با انرژی کمتر از E a نمی توانند از حالت گذار عبور کنند تا واکنش نشان دهند و تبدیل به محصول شوند.

در این وضعیت یک کاتالیزگر با ایجاد یک مسیر متفاوت، با E a پایین تر، برای واکنش کار می کند. کاتالیزگرها سد انرژی را پایین می آورند. مسیر متفاوت اجازه می دهد تا بازآرایی پیوندهای مورد نیاز برای تبدیل واکنش دهنده ها به محصولات با سهولت بیشتر و با ورودی انرژی کمتر، انجام شود.

در هر بازه زمانی مشخص، وجود یک کاتالیزگر به تعداد بیشتری از گونه های واکنش دهنده اجازه می دهد تا انرژی کافی برای عبور از حالت گذار و تبدیل شدن به محصولات را به دست بیاورند.

انواع کاتالیزگر:
کاتالیزگرها را می توان بر اساس فاز تشکیل دهنده با مواد اولیه به کاتالیزگرهای همگن و ناهمگن تقسیم کرد. به طور کلی، کاتالیزگرهای ناهمگن ترکیبات جامدی هستند که به مخلوط واکنش مایع یا گاز اضافه می شوند. دلیل اینکه این کاتالیزگرها قادر به سرعت بخشیدن به واکنش هستند، مربوط به تئوری برخورد است. طبق تئوری برخورد، مولکول های واکنش دهنده باید با جهت مناسبی به یکدیگر برخورد کنند. یک کاتالیزگر اساساً مانند یک (پلیس راهنمایی و رانندگی) عمل می کند و مولکول ها را به روشی تنظیم "تراز" می کند تا ترکیب و واکنش برای آنها آسان تر شود.

مزایا و معایب کاتالیزگر ناهمگن:
کاتالیزگر ناهمگن دارای مزایای زیادی است. به عنوان مثال، کاتالیزگرهای ناهمگن را می توان از طریق مخلوط واکنش به روش ساده، مانند فیلتراسیون، جدا کرد. به این ترتیب می توان کاتالیزگرهای گران قیمت را به راحتی و به طور موثری بازیابی کرد، که این امر برای فرآیندهای تولید صنعتی مهم است.

با این حال، یک محدودیت در استفاده از مواد ناهمگن، مربوط به سطح موجود در کاتالیزگر است. هنگامی که سطح کاتالیزگر کاملاً با مولکول های واکنش دهنده اشباع شد، تا زمانی که محصولات سطح را ترک نکنند، واکنش نمی تواند ادامه داشته باشد.

به همین دلیل است که مرحله جذب در یک واکنش کاتالیز شده ناهمگن، اغلب مرحله محدود کننده سرعت است. با وجود این، مزایای کلی استفاده از کاتالیست ناهمگن اغلب بیشتر از معایب آن است، زیرا واکنش کاتالیزگری هنوز بسیار سریعتر از واکنش غیر کاتالیزگری است

معایب و مزایای کاتالیزگر همگن:
کاتالیزگرهمگن دسته ای از کاتالیزورها است که در آن کاتالیزگر با مواد واکنش دهنده تشکیل یک فاز پیوسته می دهد. نمونه هایی از کاتالیزگرهای همگن شامل تجزیه اسید، تجزیه ساختار فلزی و تجزیه آنزیمی هستند.

غالباً، تجزیه همگن شامل کاتالیزگر فاز آبی در محلول آبی واکنش دهنده ها است. در چنین مواردی، اسیدها و بازها اغلب کاتالیزگرهای بسیار موثری هستند زیرا می توانند با تأثیر بر قطب بندی پیوند، واکنشها را تسریع کنند.

یک مزیت کاتالیز همگن این است که کاتالیزگر با مخلوط واکنش ترکیب می شوند و اجازه می دهد تا درجه تعامل بسیار بالایی بین مولکول های کاتالیزگر و واکنش دهنده ایجاد شود.

با این حال، بر خلاف کاتالیز ناهمگن، کاتالیزگر همگن اغلب پس از اتمام واکنش غیرقابل بازیابی است. از کاتالیزگرهای همگن در کاربردهای مختلف صنعتی استفاده می شود، زیرا امکان افزایش سرعت واکنش بدون افزایش دما را فراهم می کند.

آنزیم ها کاتالیزگر واکنش بیوشیمیایی:
در بدن ما و سایر موجودات زنده آنزیم ها برای تسریع واکنش های بیوشیمیایی حضور دارند. آنزیم نوعی کاتالیزگر است. زندگی پیچیده موجودات زنده بدون آنزیم ها غیرممکن بوده زیرا آنزیم ها اجازه می دهند واکنش ها با سرعت مناسب انجام شوند.

شکل آنزیم ها به همراه مکانهایی روی آنزیمی که به واکنش دهنده ها متصل می شوند، یک مسیر واکنش جایگزین ایجاد می کنند و به مولکولهای خاص اجازه می دهد تا با هم جمع شوند و یک حالت گذار با یک سد انرژی فعال شده کمتر تشکیل دهند.

در شماتیک زیر، آنزیم زنجیره بلند مکانهایی را فراهم می کند تا مولکول های واکنش دهنده کنار هم قرار بگیرند و یک حالت گذار با انرژی فعال سازی کم ایجاد کنند.

کاربردهای کاتالیزگر:
کاتالیزورها با کاهش میزان انرژی مورد نیاز انجام یک واکنش شیمیایی را تسریع می کنند. کاتالیز ستون فقرات بسیاری از فرآیندهای صنعتی می باشند، که با استفاده از واکنش های شیمیایی، مواد اولیه را به محصولات مفید تبدیل می کند. کاتالیزگرها در ساخت پلاستیک و بسیاری دیگر از اقلام تولید شده مورد استفاده قرار می گیرند.

کاتالیزگرها نمی توانند موقعیت تعادل شیمیایی را جابجا کنند بلکه واکنش های روبه جلو و رو به عقب هر دو تسریع می شوند تا ثابت تعادل K eq تغییر نکند. با این حال، با حذف محصولات از مخلوط واکنش به هنگام تشکیل، می توان سرعت کلی تشکیل محصول را در عمل افزایش داد.

حتی بدن انسان با استفاده از کاتالیزورها کار می کند. بسیاری از پروتئین های بدن شما در واقع کاتالیزگرهایی به نام آنزیم هستند که از ایجاد سیگنالهایی که باعث به حرکت در آمدن اندام شما می شود تا کمک به هضم غذای شما مورد استفاده قرار می گیرند. آنها واقعاً بخشی اساسی از زندگی ما هستند.

در بیشتر موارد شما فقط به مقدار کمی کاتالیزگر نیاز دارید تا تفاوت ایجاد کنید. حتی اندازه ذره کاتالیزگر نیز می تواند نحوه عملکرد آن را تغییر دهد. سال گذشته، یک تیم شامل لاری کرتیس، دانشمند مواد، دریافت که یک کاتالیزگر نقره وقتی در حد نانو ذرات باشد، در انجام وظیفه بهتر عمل می کند.

فرآیندهای تولید صنعتی برای پلاستیک و سایر کالاهای اساسی اغلب محصولات جانبی ناخوشایندی تولید می کنند که می توانند سلامتی انسان و محیط زیست را به خطر بیندازند. کاتالیزگرهای بهتر می توانند به حل این مشکل کمک کنند.

به عنوان مثال، همان کاتالیزگر نقره در واقع محصولات جانبی سمی کمتری تولید می کند و این واکنش را با محیط زیست سازگارتر می کند.

مزایای استفاده از کاتالیزگرها:
یک کاتالیزگر راهی برای صرفه جویی در انرژی است و استفاده از آنها در مقیاس بزرگ می تواند باعث صرفه جویی قابل توجه در انرژی شود. سه درصد از کل انرژی مورد استفاده در ایالات متحده هر ساله صرف تبدیل اتان و پروپان به آلکن ها می شود که برای ساخت پلاستیک مورد استفاده قرار می گیرند این معادل بیش از 500 میلیون بشکه بنزین است.

کاتالیزگرها همچنین کلید باز کردن قفل سوخت های زیستی هستند. همه توده های زیستی - ذرت، گیاهان زراعی، درختان - حاوی ترکیبی سخت به نام سلولز است که برای تولید سوخت باید تجزیه شود. یافتن کاتالیزگر مناسب برای تجزیه سلولز، سوخت های زیستی را به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر و ارزان تر ارائه می دهند.

نحوه عملکرد کاتالیزگرها از دیدگاه علمی:
دلایل دقیق کار کاتالیزگرها هنوز هم برای دانشمندان یک معما است. دانشمندان در حال تلاشند که کاتالیزگرهایی بسازند که بهتر کار کنند و انرژی کمتری برای انجام واکنش نیاز داشته باشند. پیکربندی های احتمالی برای کاتالیزگرهای جدید ممکن است هزاران ترکیب داشته باشد، به همین دلیل ابر رایانه ها در برخورد با این مسئله بهترین انتخاب هستند.

هنگامی که ادیسون در حال ساخت لامپ بود، او صدها رشته مختلف را آزمایش کرد تا رشته کربنیزه را کشف کرد. دانشمندان حال حاضر می توانند با بهره گیری از ابر رایانه ها و فناوری روز آزمایشات و هزینه را برای دستیابی به موفقیت ها سرعت ببخشند.

باتری های لیتیوم یونی که به تازگی کارایی پیدا کرده اند، به تبدیل تلفن های همراه بزرگ به تلفن های همراه ظریف و لپ تاپ های امروزی کمک کردند. اما دانشمندان در حال جستجو برای انقلاب بعدی در باتری ها هستند روشی که می تواند روزی باتری را سبک و به اندازه کافی قدرتمند کند تا بتواند اتومبیلی را 500 مایل بدون نیاز به شارژ به حرکت در بیاورد.

یک ایده امیدوار کننده، باتری های لیتیوم هوا است که از اکسیژن هوا به عنوان یک جز اصلی استفاده می کند. اما این باتری جدید کاملاً به تجدید نظر در شیمی داخلی احتیاج دارد و برای عملکرد آن به یک کاتالیزگر قدرتمند و جدید نیاز دارد. یک باتری لیتیوم-هوا با ترکیب اتم های لیتیوم و اکسیژن و سپس شکستن آنها، بارها و بارها می تواند مورد استفاده قرار بگیرد.

درک شیمی پشت واکنش ها اولین قدم برای تولید این مولکول های فعال است. سپس دانشمندان می توانند با استفاده از مدل سازی، کاتالیزگرهای جدید بالقوه را طراحی کرده و در آزمایشگاه آزمایش کنند.