ตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทต่าง ๆ

เนื้อหา

• ลักษณะทั่วไปของตัวเร่งปฏิกิริยา
• เคมีเร่งปฏิกิริยา
• ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน
• ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่าง
• เอนไซม์

ในวิชาเคมี ตัวเร่ง เป็นสารที่เร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยไม่ถูกใช้ไปในปฏิกิริยา ปฏิกิริยาใด ๆ ที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจะเรียกว่า ปฏิกิริยาทางเคมี. ระวังเกี่ยวกับความแตกต่างนี้เมื่ออ่านเนื้อหาทางเคมี ตัวเร่งปฏิกิริยา (พหูพจน์ "ตัวเร่งปฏิกิริยา") เป็นสารทางกายภาพ แต่ตัวเร่งปฏิกิริยา (ตัวเร่งปฏิกิริยา "พหูพจน์") เป็นกระบวนการ

ภาพรวมของแต่ละประเภทของตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นจุดเริ่มต้นที่เป็นประโยชน์ในการเรียนรู้เคมีวิเคราะห์และการทำความเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุลเมื่อคุณผสมสารเข้าด้วยกันและเกิดปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาและปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องมีสามประเภทหลัก: ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างและตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ (มักเรียกว่าเอนไซม์) กิจกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาที่พบได้ทั่วไป แต่ยังมีความสำคัญน้อย ได้แก่ การสังเคราะห์ด้วยแสงการเร่งปฏิกิริยาสิ่งแวดล้อมและกระบวนการเร่งปฏิกิริยาสีเขียว

ลักษณะทั่วไปของตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งส่วนใหญ่เป็นโลหะ (เช่นแพลทินัมหรือนิกเกิล) หรือโลหะใกล้ (เช่นซิลิคอนโบรอนและอลูมิเนียม) ที่ติดอยู่กับองค์ประกอบเช่นออกซิเจนและกำมะถัน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่อยู่ในสถานะของเหลวหรือก๊าซมีแนวโน้มที่จะประกอบด้วยองค์ประกอบเดียวแม้ว่าพวกเขาอาจจะรวมกับตัวทำละลายและวัสดุอื่น ๆ และตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็งอาจถูกเผยแพร่ภายในเมทริกซ์ที่เป็นของแข็งหรือของเหลวที่เรียกว่าสนับสนุนตัวเร่งปฏิกิริยา

เร่งปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาโดยการลด พลังงานกระตุ้น E ของปฏิกิริยาที่จะดำเนินการต่อโดยไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา แต่จะช้ากว่ามาก ปฏิกิริยาดังกล่าวมีผลิตภัณฑ์หรือผลิตภัณฑ์ที่มีพลังงานรวมต่ำกว่าปฏิกิริยาหรือสารตั้งต้น หากไม่ใช่กรณีนี้ปฏิกิริยาเหล่านี้จะไม่เกิดขึ้นหากไม่มีการเพิ่มพลังงานจากภายนอก แต่เพื่อให้ได้จากสถานะพลังงานที่สูงขึ้นไปสู่สถานะพลังงานต่ำกว่าผลิตภัณฑ์จะต้อง "ได้รับ hump" ก่อนที่ "hump" เป็น E. ตัวเร่งปฏิกิริยาในสาระสำคัญเรียบออกกระแทกตามถนนพลังงานปฏิกิริยาโดยทำให้ง่ายขึ้นสำหรับสารตั้งต้นที่จะได้รับพลังงาน "downslope" ของปฏิกิริยาโดยเพียงแค่ลดระดับความสูงของ "ยอดเขา"

ระบบเคมีแสดงตัวอย่างของตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งบวกและลบโดยในอดีตมีแนวโน้มที่จะเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลบที่ทำหน้าที่ชะลอตัวลง ทั้งสองอย่างมีประโยชน์ขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ที่ต้องการ

เคมีเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาดำเนินงานโดยเชื่อมพันธะชั่วคราวกับสารเคมีอย่างใดอย่างหนึ่งและปรับเปลี่ยนสารตั้งต้นอย่างใดอย่างหนึ่งและเปลี่ยนรูปแบบทางกายภาพของมันหรือรูปทรงสามมิติในวิธีที่ทำให้มันง่ายขึ้นสำหรับสารเปลี่ยนรูปหรือสารตั้งต้นเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ ลองนึกภาพว่าการมีสุนัขที่กลิ้งโคลนและต้องทำความสะอาดก่อนที่มันจะเข้ามาข้างใน โคลนจะหลุดออกจากสุนัขด้วยตัวเองในที่สุด แต่ถ้าคุณสามารถทำอะไรบางอย่างที่กระตุ้นสุนัขในทิศทางของสปริงเกอร์หลาเพื่อให้โคลนจะถูกพ่นออกจากขนของมันอย่างรวดเร็วคุณจะต้องทำหน้าที่เป็น "ตัวเร่งปฏิกิริยา" "ปฏิกิริยาของสุนัขสกปรกต่อสุนัขที่สะอาด"

ส่วนใหญ่แล้วผลิตภัณฑ์ระดับกลางที่ไม่ได้แสดงในบทสรุปทั่วไปของปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นจากตัวทำปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยาและเมื่อความซับซ้อนนี้ถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายอย่างน้อยหนึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกสร้างใหม่ราวกับไม่มีอะไรเกิดขึ้นกับ มันเลย ดังที่คุณจะเห็นในไม่ช้ากระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นได้หลายวิธี

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน

ปฏิกิริยาจะถูกพิจารณา ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน เมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตั้งต้นอยู่ในสถานะทางกายภาพหรือเฟสเดียวกัน สิ่งนี้มักเกิดขึ้นกับคู่ของตัวเร่งปฏิกิริยาก๊าซ ประเภทของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันประกอบด้วยกรดอินทรีย์ซึ่งอะตอมไฮโดรเจนที่บริจาคได้ถูกแทนที่ด้วยโลหะจำนวนของสารประกอบที่ผสมคาร์บอนและองค์ประกอบโลหะในบางรูปแบบและสารประกอบคาร์บอนิลรวมกับโคบอลต์หรือเหล็ก

ตัวอย่างของการเร่งปฏิกิริยาประเภทนี้ที่เกี่ยวข้องกับของเหลวคือการเปลี่ยนไอออนของซัลเฟตและไอโอไดด์เป็นซัลเฟตไอออนและไอโอดีน:

S₂O₈^2- + 2 ฉัน^- → 2 ดังนั้น₄^2- + ฉัน₂

ปฏิกิริยานี้จะมีช่วงเวลาที่ยากลำบากในการดำเนินการของตัวเองแม้จะมีพลังที่ดีเพราะสารตั้งต้นทั้งสองมีประจุลบและดังนั้นคุณสมบัติไฟฟ้าสถิตของพวกเขาจะตรงข้ามกับคุณสมบัติทางเคมีของพวกเขา แต่ถ้าไอออนของเหล็กซึ่งมีประจุเป็นบวกจะถูกเพิ่มเข้าไปในส่วนผสมเหล็กจะ "กวนใจ" ประจุลบและปฏิกิริยาจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างรวดเร็ว

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันในก๊าซที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติคือการเปลี่ยนของก๊าซออกซิเจนหรือ O₂ในบรรยากาศสู่โอโซนหรือ O₃ที่อนุมูลออกซิเจน (O^-) เป็นตัวกลาง ที่นี่แสงอุลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่แท้จริง แต่สารประกอบทางกายภาพทุกตัวอยู่ในสถานะเดียวกัน (ก๊าซ)

ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่าง

ปฏิกิริยาจะถูกพิจารณา เร่งปฏิกิริยาต่างกัน เมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวทำปฏิกิริยา (s) อยู่ในขั้นตอนที่แตกต่างกันกับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นที่อินเตอร์เฟซระหว่างพวกเขา (ส่วนใหญ่มักจะเป็น "เส้นขอบ" ที่เป็นก๊าซแข็ง) ตัวเร่งปฏิกิริยา heterogeneous ที่พบได้ทั่วไปบางตัว ได้แก่ อนินทรีย์ซึ่งก็คือสารที่ไม่มีคาร์บอนซึ่งประกอบด้วยของแข็งเช่นธาตุโลหะซัลไฟด์และเกลือของโลหะรวมถึงการสลายตัวของสารอินทรีย์

ซีโอไลต์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความสำคัญระดับหนึ่ง เหล่านี้เป็นผลึกของแข็งประกอบด้วยหน่วยทำซ้ำของ SiO₄. หน่วยของสี่โมเลกุลที่รวมเข้าด้วยกันเหล่านี้เชื่อมโยงกันเพื่อสร้างโครงสร้างแหวนและกรงที่แตกต่างกัน การมีอะตอมของอลูมิเนียมในคริสตัลทำให้เกิดความไม่สมดุลของประจุซึ่งถูกชดเชยโดยโปรตอน (เช่นไฮโดรเจนไอออน)

เอนไซม์

เอนไซม์เป็นโปรตีนที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในระบบชีวิต เอ็นไซม์เหล่านี้มีส่วนประกอบที่เรียกว่าสารจับตัวซับสเตรตหรือไซต์ที่ทำงานซึ่งโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาภายใต้การเร่งปฏิกิริยากลายเป็นสิ่งที่แนบมา ส่วนประกอบของโปรตีนทั้งหมดคือกรดอะมิโนและกรดแต่ละชนิดมีการกระจายประจุที่ไม่สม่ำเสมอจากปลายด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง คุณสมบัตินี้เป็นเหตุผลหลักที่ทำให้เอนไซม์มีความสามารถในการเร่งปฏิกิริยา

ไซต์ที่ใช้งานอยู่บนเอนไซม์จะพอดีกับส่วนที่ถูกต้องของสารตั้งต้น (สารตั้งต้น) แทนที่จะเป็นกุญแจเข้าสู่ล็อค โปรดทราบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้มักจะเร่งปฏิกิริยาของปฏิกิริยาที่แตกต่างกันและดังนั้นจึงไม่ได้มีระดับของความจำเพาะทางเคมีที่เอนไซม์ทำ

โดยทั่วไปเมื่อมีสารตั้งต้นและเอนไซม์มากขึ้นปฏิกิริยาจะดำเนินต่อไปอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้น แต่ถ้ามีการเพิ่มสารตั้งต้นมากขึ้นโดยไม่เพิ่มเอนไซม์เข้าไปเช่นกันบริเวณที่มีการจับของเอนไซม์ทั้งหมดนั้นจะอิ่มตัวและปฏิกิริยาก็มาถึงอัตราสูงสุดสำหรับความเข้มข้นของเอนไซม์นั้น ปฏิกิริยาแต่ละตัวจะถูกเร่งโดยเอนไซม์สามารถแสดงในรูปของผลิตภัณฑ์ระดับกลางที่เกิดขึ้นเนื่องจากการมีอยู่ของเอนไซม์ นั่นคือแทนที่จะเขียน:

S → P

ในการแสดงวัสดุพิมพ์ที่ถูกแปรสภาพเป็นผลิตภัณฑ์คุณสามารถอธิบายได้ดังนี้:

E + S → ES → E + P

ประเด็นระยะกลางคือซับซ้อนเอนไซม์ - ตั้งต้น (ES)

เอ็นไซม์แม้ว่าจะจัดเป็นหมวดหมู่ของตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างจากที่ระบุไว้ข้างต้นสามารถเป็นได้ทั้งแบบเป็นเนื้อเดียวกันหรือต่างกัน

เอนไซม์ทำงานได้ดีที่สุดในช่วงอุณหภูมิแคบ ๆ ซึ่งทำให้รู้สึกได้ว่าอุณหภูมิร่างกายของคุณจะไม่ผันผวนมากกว่าสองสามองศาในสภาวะปกติ ความร้อนสูงทำลายเอนไซม์จำนวนมากและทำให้พวกเขาสูญเสียรูปร่างสามมิติที่เฉพาะเจาะจงของพวกเขากระบวนการที่เรียกว่า denaturing ที่ใช้กับโปรตีนทั้งหมด