کاتالیزور (Catalysis)

کاتالیز (، kə-TAL-iss-iss) به شتاب سرعت واکنش شیمیایی به دلیل معرفی ماده ای به نام کاتالیزور (KAT-əl-ist) اشاره دارد. کاتالیزورها در طول فرآیند واکنش مصرف نمی شوند و پس از اتمام آن از نظر شیمیایی بدون تغییر باقی می مانند. هنگامی که یک واکنش به سرعت انجام می شود و کاتالیزور به طور موثر بازیافت می شود، مقدار حداقل کاتالیزور اغلب کافی است. عواملی مانند اختلاط، سطح و دما به طور قابل توجهی بر سرعت واکنش تأثیر می‌گذارند. به طور معمول، کاتالیزورها با یک یا چند واکنش‌دهنده برهمکنش می‌کنند تا گونه‌های میانی را تشکیل دهند، که متعاقباً محصول واکنش نهایی را تولید می‌کنند و همزمان کاتالیزور را بازسازی می‌کنند.

کاتالیز (, kə-TAL-iss-iss) افزایش سرعت یک واکنش شیمیایی به دلیل ماده اضافه شده به نام کاتالیزور است ( KAT-əl-ist). کاتالیزورها در واکنش مصرف نمی شوند و پس از واکنش بدون تغییر باقی می مانند. اگر واکنش سریع باشد و کاتالیزور به سرعت بازیافت شود، مقدار بسیار کمی از کاتالیزور اغلب کافی است. اختلاط، سطح و دما عوامل مهمی در سرعت واکنش هستند. کاتالیزورها معمولاً با یک یا چند واکنش دهنده واکنش می دهند تا واسطه هایی را تشکیل دهند که متعاقباً محصول واکنش نهایی را در فرآیند تولید مجدد کاتالیزور می دهند.

این افزایش سرعت مشاهده شده به این دلیل به وجود می آید که کاتالیزور مکانیسم واکنش جایگزین را تسهیل می کند که به طور قابل توجهی سریعتر از مسیر کاتالیز نشده است. با این وجود، مکانیسم غیرکاتالیزشده از نظر جنبشی قابل دوام است و تضمین می‌کند که سرعت کلی واکنش (شامل مشارکت کاتالیزشده و غیرکاتالیزشده) تنها می‌تواند در حضور یک کاتالیزور افزایش یا ثابت بماند، هرگز کاهش نمی‌یابد.

کاتالیز را می‌توان به‌طور کلی به‌عنوان همگن دسته‌بندی کرد، که در آن همه اجزای مایع به‌صورت یکسان در فاز یکسان هستند. واکنش دهنده ها، یا ناهمگن، که در آن اجزا در فازهای مجزا وجود دارند. آنزیم ها و سایر کاتالیزورهای زیستی اغلب به عنوان یک طبقه بندی جداگانه و سوم در نظر گرفته می شوند.

کاتالیز یک پدیده فراگیر در صنایع شیمیایی است. تخمین زده می شود که تقریباً 90٪ از تمام محصولات شیمیایی تولید شده تجاری شامل فرآیندهای کاتالیزوری در برخی از مراحل تولید آنها می شود.

اصطلاح "کاتالیزور" از کلمه یونانی καταλύεινکه، نشأت می گیرد. «شل کردن» یا «باز کردن». مفهوم اساسی کاتالیز توسط شیمیدان الیزابت فولهام بر اساس تحقیقات نوآورانه او در آزمایش های کاهش اکسیداسیون پیشگام بود.

اصول بنیادی

مورد مصور

تصویر مربوط به عمل کاتالیزوری شامل تسریع تجزیه پراکسید هیدروژن به آب و اکسیژن است:

2 H₂O₂ → 2 H§4_{5§O + O§67§}

اگرچه این واکنش به دلیل پایداری بیشتر محصولات آن در مقایسه با واکنش دهنده، از نظر ترمودینامیکی مطلوب است، اما سرعت تجزیه ذاتی آن به اندازه ای آهسته است که امکان دسترسی تجاری محلول های پراکسید هیدروژن را فراهم می کند. با این حال، هنگامی که کاتالیزوری مانند دی اکسید منگنز معرفی می شود، سرعت واکنش به طور قابل توجهی افزایش می یابد، که به وضوح با جوشاندن اکسیژن نشان داده می شود. خود کاتالیزور مصرف نشده باقی می ماند و می تواند بدون تغییر برای استفاده مجدد نامحدود بازیابی شود. بنابراین، دی اکسید منگنز به عنوان کاتالیز کننده این فرآیند توصیف می شود. در سیستم‌های بیولوژیکی، آنزیم‌ها که پروتئین‌های کاتالیزوری هستند، مانند کاتالاز، همین واکنش را تسهیل می‌کنند.

کاتالیزورها همچنین نقش مهمی در کاهش آلودگی هوا، به‌ویژه در کاهش سطح مونوکسید کربن دارند. توسعه کاتالیزورهای بسیار فعال و انتخابی برای تبدیل مونوکسید کربن به محصولات مفید، کاربرد قابل توجهی از کاتالیز را نشان می دهد. به طور خاص، هیدروژناسیون کاتالیزوری مونوکسید کربن به طور موثر این گاز سمی را حذف می کند در حالی که به طور همزمان مواد ارزشمندی را تولید می کند.

واحدهای اندازه گیری

واحد مشتق شده از SI برای تعیین کمیت فعالیت کاتالیزوری یک کاتالیزور، کاتال است که به عنوان مول در ثانیه تعریف می شود. بهره وری کاتالیزور با عدد گردش (TON) مشخص می شود، در حالی که فعالیت کاتالیزوری به صورت فرکانس چرخش (TOF) بیان می شود که نشان دهنده TON در واحد زمان است. در بیوشیمی، اندازه گیری مشابه واحد آنزیم است.

مکانیسم‌های واکنش‌های کاتالیستی

اساساً، کاتالیزورها واکنش‌های شیمیایی را با ارائه یک مکانیسم یا مسیر واکنش جایگزین که دارای انرژی فعال‌سازی بسیار پایین‌تری در مقایسه با فرآیند غیرکاتالیز نشده است، تسریع می‌کنند. یکی از مشخصه‌های کلیدی مکانیسم‌های کاتالیزور، بازسازی کاتالیزور است.

یک تصویر ساده در فاز گاز شامل واکنش 2 SO₂ + O§34§ → 2 SO§5_{2 SO§52 از طریق معرفی اکسید نیتریک کاتالیز می شود. این واکنش از طریق مکانیسم دو مرحله ای انجام می شود:}

2 NO + O₂ → 2 NO§34§ (مرحله تعیین نرخ)

NO₂ + SO§34§ → NO + SO§5_6§ (گام سریع)

کاتالیزور اکسید نیتریک متعاقباً بازسازی می‌شود، و سرعت کلی واکنش با سرعت کندتر مرحله تعیین‌کننده سرعت تعیین می‌شود.

v=2k₁[NO]²[O§4^5§].

کاتالیز ناهمگن با واکنش اکسیژن و هیدروژن بر روی سطح دی اکسید تیتانیوم (TiO₂ یا titania) برای تولید آب نمونه‌ای است. تحقیقات با استفاده از میکروسکوپ تونل زنی روبشی نشان داده است که مولکول های واکنش دهنده تحت جذب و تجزیه بعدی قرار می گیرند. متعاقباً، اتم های اکسیژن و هیدروژن تفکیک شده، به سطح متصل می شوند، پخش و ترکیب می شوند. گونه های واکنش میانی عبارتند از HO§45§، H§67§O§89§، و H§1011§O§1213§، که در نهایت دیمرهای مولکولی آب را به عنوان محصول نهایی تشکیل می دهند، که سپس از سطح کاتالیزور دفع می شوند.

انرژی واکنش

کاتالیزورها مسیرهای واکنش جایگزین متفاوت از مسیرهای مشاهده شده در فرآیندهای کاتالیز نشده را تسهیل می کنند. این مسیرهای جایگزین دارای انرژی فعال سازی کاهش یافته هستند. در نتیجه، نسبت بیشتری از برخوردهای مولکولی انرژی لازم را برای غلبه بر حالت گذار به دست می آورند. بنابراین، کاتالیزورها می‌توانند واکنش‌هایی را آغاز کنند که در غیر این صورت از نظر جنبشی مانع می‌شوند یا با سرعت غیرعملی آهسته پیش می‌روند. تأثیر یک کاتالیزور می تواند به صورت افزایش سرعت واکنش، انتخاب پذیری بهبود یافته یا توانایی انجام واکنش ها در دماهای پایین تر ظاهر شود. چنین اثراتی به طور موثر از طریق نمودار نمایه انرژی نشان داده می‌شوند.

در واکنش‌های کاتالیز شده اولیه، کاتالیزورها اساساً وسعت کلی واکنش را تغییر نمی‌دهند و تأثیری هیچ بر تعادل شیمیایی آن ندارند. نسبت سرعت واکنش رو به جلو و معکوس بدون تغییر باقی می ماند. تغییر ناپذیری تعادل شیمیایی در حضور یک کاتالیزور با قانون دوم ترمودینامیک توضیح داده می شود. به طور فرضی، اگر یک کاتالیزور قادر به تغییر حالت تعادل باشد، وارد شدن آن به یک سیستم واکنشی را به سمت تعادل جدید القا می‌کند و در نتیجه انرژی تولید می‌کند. تولید انرژی یک پیامد ضروری خواهد بود، زیرا واکنش های خود به خودی توسط کاهش انرژی آزاد گیبس انجام می شود. علاوه بر این، اگر هیچ مانع انرژی وجود نداشت، یک کاتالیزور غیر ضروری بود. متعاقباً، حذف چنین کاتالیزوری به طور مشابه واکنشی را تحریک می کند و همچنین انرژی تولید می کند. این بدان معناست که هم افزودن و هم حذف بعدی کاتالیزور انرژی تولید می کند. در نتیجه، کاتالیزوری که قادر به تغییر تعادل باشد، یک ماشین حرکت دائمی را تشکیل می‌دهد که مستقیماً با قوانین اساسی ترمودینامیک در تضاد است. بنابراین، کاتالیزورها ثابت تعادل را تغییر نمی‌دهند. با این حال، توجه به این نکته مهم است که یک کاتالیزور اگر در مرحله واکنش بعدی شرکت کند، می تواند بر غلظت تعادل تأثیر بگذارد، با پیشرفت واکنش مصرف شود و بنابراین به عنوان یک واکنش دهنده عمل کند. یک مثال گویا، هیدرولیز استرها با کاتالیز پایه است، که در آن کربوکسیلیک اسید حاصل به سرعت با کاتالیزور پایه واکنش می دهد و در نتیجه تعادل واکنش را به سمت هیدرولیز تغییر می دهد.

یک کاتالیزور ترجیحاً حالت گذار را در مقایسه با واکنش دهنده های اولیه تثبیت می کند. این عمل با کاهش تفاوت انرژی بین ماده اولیه و حالت گذار، مانع جنبشی را کاهش می دهد. مهمتر از همه، این تفاوت انرژی بین واکنش دهنده ها و محصولات را تغییر نمی دهد (سد ترمودینامیکی)، و همچنین کل انرژی موجود را که توسط محیط به عنوان گرما یا نور تامین می شود، تغییر نمی دهد.

مفاهیم مرتبط

مواد خاصی که معمولاً به عنوان کاتالیزور شناخته می شوند، در واقع پیشکاتالیست هستند که در طی واکنش به گونه های کاتالیزوری فعال تبدیل می شوند. به عنوان مثال، کاتالیزور Wilkinson، RhCl(PPh₃)§45§، یک لیگاند تری فنیل فسفین را قبل از درگیر شدن در چرخه کاتالیزوری واقعی می ریزد. پیش کاتالیست ها مزایایی در پایداری ذخیره سازی دارند در حالی که به راحتی در محل فعال می شوند. در نتیجه، واکنش‌های کاتالیزوری متعددی یک دوره القایی را نشان می‌دهند که به این مرحله پیش فعال‌سازی ضروری نسبت داده می‌شود.

در چارچوب کاتالیزور مشارکتی، موجودیت‌های شیمیایی که فعالیت کاتالیزوری را افزایش می‌دهند به‌عنوان هم‌کاتالیست یا ترویج‌کننده‌های ترکیبیهمگام‌سازی تعیین می‌شوند. از دو یا چند کاتالیزور مجزا در یک سیستم واکنش تک گلدانی.

Autocatalysis با بودن کاتالیزور محصول واکنش کلی مشخص می‌شود، و این تمایز از سایر مکانیسم‌های کاتالیزوری است که در اینجا بحث شده است. یک تصویر ساده از کاتالیز خودکار یک توالی واکنش است که در یک یا چند مرحله رخ می دهد و به صورت A + B → 2 B نشان داده می شود. واکنش خالص A → B است که نشان می دهد B یک محصول است. با این حال، از آنجایی که B به طور همزمان به عنوان یک واکنش دهنده عمل می کند، غلظت آن می تواند بر معادله سرعت و در نتیجه بر سرعت واکنش تأثیر بگذارد. با پیشرفت واکنش، افزایش غلظت B می تواند با عمل به عنوان یک کاتالیزور، فرآیند را تسریع کند. اساساً واکنش خود تسریع می‌شود یا خودکاتالیز می‌شود. یک مثال مرتبط شامل هیدرولیز یک استر مانند آسپرین است که یک اسید کربوکسیلیک و یک الکل تولید می کند. هنگامی که هیچ کاتالیزور اسید خارجی معرفی نمی شود، محصول کربوکسیلیک اسید خود هیدرولیز را کاتالیز می کند.

کاتالیزور قابل تعویض یک فرآیند کاتالیزوری را توصیف می‌کند که در آن کاتالیزور می‌تواند بین حالت‌های پایه مجزا که واکنش‌پذیری متفاوتی از خود نشان می‌دهند، به طور معمول از طریق اعمال یک محرک خارجی تبدیل شود. این قابلیت سوئیچینگ برگشت پذیر تنظیم مکانی و زمانی فعالیت کاتالیزوری و گزینش پذیری را ممکن می سازد. محرک‌های خارجی که برای تعویض کاتالیزور به کار می‌روند ممکن است شامل تغییرات دما، pH، نور، میدان‌های الکتریکی یا معرفی عوامل شیمیایی باشد.

یک کاتالیزور واقعی ممکن است با یک کاتالیزور قربانی عمل کند. در طی واکنش اولیه، کاتالیزور اصلی مصرف می شود و به حالت غیرفعال تبدیل می شود. کاتالیزور قربانی متعاقباً کاتالیزور اصلی را بازسازی می کند و چرخه های کاتالیزوری بیشتری را امکان پذیر می کند. از آنجایی که کاتالیزور قربانی در طول واکنش مصرف می شود، به جای یک کاتالیزور واقعی به عنوان یک معرف عمل می کند. به عنوان مثال، تتروکسید اسمیم (OsO₄) علیرغم سمیت و هزینه بالا به عنوان یک معرف موثر برای دی هیدروکسیلاسیون عمل می کند. در فرآیند دی هیدروکسیلاسیون Upjohn، N-methylmorpholine N-oxide (NMMO) به عنوان یک کاتالیزور قربانی برای بازسازی OsO₄ عمل می کند، در نتیجه تنها به مقادیر کاتالیزوری OsO₄ نیاز دارد.

طبقه بندی

فرایندهای کاتالیزوری به طور کلی به انواع همگن یا ناهمگن دسته بندی می شوند. کاتالیز همگن شامل اجزایی است که در همان فاز (معمولاً گازی یا مایع) به عنوان مولکول های واکنش دهنده پراکنده شده اند. برعکس، کاتالیز ناهمگن زمانی اتفاق می افتد که اجزای واکنش در فازهای مختلف وجود داشته باشند. آنزیم ها و سایر بیوکاتالیست ها اغلب به عنوان یک دسته سوم مشخص شناخته می شوند. علی‌رغم این تمایزات، اصول مکانیکی مشابه زیربنای سیستم‌های ناهمگن، همگن و بیوکاتالیستی است.

کاتالیزور ناهمگن

کاتالیزورهای ناهمگن در فازی متمایز از واکنش دهنده ها عمل می کنند. اکثر کاتالیزورهای ناهمگن مواد جامدی هستند که واکنش های مربوط به بسترها را در مخلوط های مایع یا گاز تسهیل می کنند. نمونه‌های قابل‌توجهی از کاتالیزورهای ناهمگن شامل زئولیت‌ها، آلومینا، اکسیدهای درجه بالاتر، کربن گرافیتی، اکسیدهای فلزات واسطه، فلزاتی مانند نیکل رینی که برای هیدروژناسیون استفاده می‌شود، و اکسید وانادیوم (V) که در فرآیند تماس برای اکسیداسیون واکنش گوگرد به سطح گوگرد به کار می‌رود. مشروط به نحوه جذب (به عنوان مثال، لانگمویر-هینسلوود، ایلی-ریدال، و مارس-وان کرولن). سطح کلی یک جامد به طور قابل توجهی بر سرعت واکنش تأثیر می گذارد. کاهش اندازه ذرات کاتالیزور با افزایش سطح برای جرم ثابت ذرات مرتبط است.

کاتالیزورهای ناهمگن دارای محل‌های فعال هستند که به عنوان اتم‌ها یا وجه‌های کریستالی خاص که مولکول‌های زیرلایه به آن متصل می‌شوند، تعریف می‌شوند. در حالی که مکان‌های فعال اساساً اتمی هستند، اغلب به عنوان وجوه خاص (به عنوان مثال، لبه‌ها، سطوح، مراحل) یک ماده جامد مشخص می‌شوند. بخش قابل توجهی از حجم و سطح یک کاتالیزور ناهمگن می تواند از نظر کاتالیستی بی اثر باشد. توضیح ماهیت دقیق این مکان‌های فعال چالش‌های فنی قابل‌توجهی را ارائه می‌کند.

به عنوان مثال، کاتالیزوری که در فرآیند هابر برای سنتز آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن استفاده می‌شود، معمولاً آهن نامیده می‌شود. با این حال، تحقیقات گسترده و تلاش‌های بهینه‌سازی متعدد منجر به کاتالیزورهایی شده است که مخلوط‌های پیچیده‌ای از آهن-پتاسیم-کلسیم-آلومینیوم-اکسید را تشکیل می‌دهند. گازهای واکنش دهنده به مکان های فعال موجود روی ذرات آهن جذب می شوند. پس از جذب فیزیکی، معرف ها دچار تفکیک جزئی یا کامل می شوند که منجر به تشکیل پیوندهای شیمیایی جدید می شود. این مکانیسم شکست پیوند سه گانه فوق العاده قوی در نیتروژن را تسهیل می کند، فرآیندی که در فاز گاز به دلیل انرژی فعال سازی قابل توجه آن بسیار غیرممکن است. در نتیجه، انرژی فعال‌سازی کلی واکنش کاهش می‌یابد و سرعت آن تسریع می‌شود. یکی دیگر از کاربردهای کاتالیز ناهمگن در اکسیداسیون دی اکسید گوگرد بر روی اکسید وانادیوم (V) برای تولید اسید سولفوریک مشاهده می شود. در واقع، تعداد قابل توجهی از کاتالیزورهای ناهمگن به عنوان نانومواد طبقه بندی می شوند.

کاتالیزورهای ناهمگن معمولاً در یک پیکربندی پشتیبانی استفاده می‌شوند، به این معنی که کاتالیزور بر روی یک ماده ثانویه پراکنده می‌شود که کارایی کاتالیزوری را افزایش می‌دهد یا هزینه کلی را کاهش می‌دهد. این پشتیبان‌ها تجمع و تف جوشی ذرات کاتالیست ریز را کاهش می‌دهند، در نتیجه سطح در معرض دید را به حداکثر می‌رسانند و در نتیجه فعالیت ویژه کاتالیزور (در هر گرم) را افزایش می‌دهند. در برخی موارد، پشتیبانی صرفاً به عنوان یک بستر با سطح بالا برای پراکندگی کاتالیزور عمل می کند. با این حال، اغلب، پشتیبانی و کاتالیزور برهمکنش های هم افزایی را نشان می دهند که بر فرآیند کاتالیزوری تأثیر می گذارد. علاوه بر این، پشتیبانی‌ها با ارائه مکان‌های اتصال برای مولکول‌های کاتالیزور مجزا، سنتز نانوذرات را تسهیل می‌کنند. معمولاً تکیه گاه ها شامل مواد متخلخل با سطح وسیعی مانند آلومینا، زئولیت ها یا اشکال مختلف کربن فعال است. مواد پشتیبانی تخصصی شامل دی اکسید سیلیکون، دی اکسید تیتانیوم، کربنات کلسیم و سولفات باریم است.

Electrocatalysts

در حوزه الکتروشیمی، به ویژه در مهندسی پیل سوختی، کاتالیزورهای متنوع حاوی فلز برای تسریع نیمه واکنش‌های جدایی‌ناپذیر عملکرد پیل سوختی استفاده می‌شوند. یک دسته رایج از الکتروکاتالیست های پیل سوختی از نانوذرات پلاتین که روی ذرات کربن بزرگتر رسوب کرده اند استفاده می کنند. پس از تماس با یک الکترود پیل سوختی، این پلاتین به طور قابل توجهی سرعت کاهش اکسیژن را افزایش می دهد و آب، هیدروکسید یا پراکسید هیدروژن تولید می کند.

کاتالیزور همگن

کاتالیزورهای همگن در همان فازی که بسترهای واکنش دهنده عمل می کنند. به طور مشخص، این کاتالیزورها در کنار بسترها در یک حلال معمولی حل می شوند. یک نمونه گویا از کاتالیز همگن، اثر H⁺ بر استری شدن اسیدهای کربوکسیلیک است، که نمونه آن با سنتز متیل استات از اسید استیک و متانول است. فرآیندهای صنعتی با حجم تولید بالا که نیاز به کاتالیزورهای همگن دارند شامل هیدروفورمیلاسیون، هیدروسیلیلاسیون و هیدروسیاناسیون می باشد. در میان شیمیدانان معدنی، کاتالیز همگن اغلب مترادف با کاتالیز آلی فلزی در نظر گرفته می شود. با این وجود، بسیاری از کاتالیزورهای همگن آلی فلزی نیستند، همانطور که با استفاده از نمک های کبالت در کاتالیز کردن اکسیداسیون p-xylene به ترفتالیک اسید نشان داده شده است.

ارگانوکاتالیز

در حالی که فلزات واسطه اغلب بر تمرکز در تحقیقات کاتالیزوری غالب هستند، مولکول‌های آلی کوچک فاقد مراکز فلزی نیز دارای قابلیت‌های کاتالیزوری هستند، این پدیده در آنزیم‌های متعددی که فلزات واسطه را ترکیب نمی‌کنند مشهود است. به طور کلی، کاتالیزورهای آلی نیاز به بارگذاری بیشتری دارند (که به عنوان درصد مولی کاتالیزور نسبت به واکنش دهنده تعریف می شود) در مقایسه با کاتالیزورهای مبتنی بر فلزات واسطه یا یون. با این حال، در دسترس بودن تجاری گسترده آنها در مقادیر عمده به کاهش هزینه کمک می کند. در اوایل دهه 2000، این کاتالیزورهای ارگانیک به عنوان "نسل جدیدی" از کاتالیزورها ظاهر شدند و جایگزین های رقابتی برای سیستم های متداول حاوی فلز یا یون ارائه کردند.

فرض بر این است که کاتالیست های ارگانیک مشابه آنزیم های بدون فلز عمل می کنند و اغلب از برهمکنش های غیرکووالانسی هیدروژنی استفاده می کنند. زمینه ارگانوکاتالیز به طور گسترده با استفاده از آلی کاتالیزورهای کووالانسی (مانند پرولین، DMAP) و غیرکووالانسی (مثلاً ارگانوکاتالیز تیوریا) طبقه بندی می شود و بین حالت های اولیه اتصال و برهمکنش کاتالیزور- بستر آنها تمایز قائل می شود. در سال 2021، جایزه نوبل شیمی به طور مشترک به بنجامین لیست و دیوید دبلیو سی اعطا شد. مک میلان به خاطر کمک های پیشگامانه خود در توسعه کاتالیز ارگانیک نامتقارن.

فتوکاتالیست ها

فوتوکاتالیز پدیده‌ای را توصیف می‌کند که در آن یک کاتالیزور نور را جذب می‌کند، به حالت برانگیخته تبدیل می‌شود و متعاقباً واکنش‌های ردوکس را تسهیل می‌کند. اکسیژن تک محصولی رایج است که از طریق فرآیندهای فوتوکاتالیستی تولید می شود. فوتوکاتالیست ها اجزای ضروری سلول های خورشیدی حساس به رنگ را تشکیل می دهند.

آنزیم‌ها و زیست‌کاتالیست‌ها

در سیستم‌های بیولوژیکی، آنزیم‌ها به عنوان کاتالیزورهای مبتنی بر پروتئین که برای مسیرهای متابولیک و کاتابولیک حیاتی هستند، عمل می‌کنند. در حالی که اکثر بیوکاتالیست‌ها آنزیم هستند، سایر مولکول‌های زیستی غیر پروتئینی، مانند ریبوزیم‌ها و دئوکسی ریبوزیم‌های مصنوعی، نیز قابلیت‌های کاتالیزوری را نشان می‌دهند.

بیوکاتالیست‌ها ممکن است به‌عنوان جایگاهی میانی بین کاتالیزور همگن و ناهمگن تصور شوند. با این حال، آنزیم های محلول به شدت به عنوان همگن طبقه بندی می شوند، در حالی که آنزیم های متصل به غشاء ناهمگن در نظر گرفته می شوند. پارامترهای متعددی بر فعالیت آنزیم‌ها و سایر کاتالیزورها تأثیر می‌گذارند، از جمله دما، pH و غلظت آنزیم‌ها، بسترها و محصولات. آب به‌عنوان یک معرف حیاتی در واکنش‌های آنزیمی عمل می‌کند، به عنوان یک محصول در فرآیندهای متعدد تشکیل پیوند و یک واکنش‌دهنده در بسیاری از مکانیسم‌های شکستن پیوند عمل می‌کند.

زیست کاتالیز از آنزیم‌هایی برای تولید مواد شیمیایی کالاهای متعدد، مانند شربت ذرت با فروکتوز بالا و آکریل آمید استفاده می‌کند.

برخی آنتی‌بادی‌های مونوکلونال، که مولکول‌های پایدار را با تقلید از حالت گذار یک واکنش شیمیایی هدف قرار می‌دهند، می‌توانند به عنوان کاتالیزور خفیف برای فعال‌سازی مجدد آن واکنش عمل کنند. این آنتی بادی های کاتالیزوری گاهی اوقات به عنوان "ابزیم" نامیده می شوند.

اهمیت

تخمین زده شده است که کاتالیزورها در فرآیند تولید 90 درصد از تمام محصولات شیمیایی تجاری تولید می شوند. در سطح جهانی، فرآیندهای کاتالیزوری تقریباً 900 میلیارد دلار به ارزش محصول در سال 2005 کمک کردند. ماهیت گسترده کاتالیز، طبقه‌بندی زیرحوزه‌های آن را چالش برانگیز می‌کند، اگرچه چندین حوزه کاربردی کلیدی متعاقباً تشریح می‌شوند.

برنامه های بخش انرژی

پالایش نفت به طور گسترده ای از کاتالیز برای فرآیندهایی مانند آلکیلاسیون، ترک کاتالیستی (تجزیه هیدروکربن های با زنجیره بلند به قطعات کوچکتر)، رفرمینگ نفتا و رفرمینگ بخار (تبدیل هیدروکربن ها به گاز سنتز) استفاده می کند. علاوه بر این، کاتالیز برای تصفیه گازهای خروجی از احتراق سوخت فسیلی استفاده می شود. مبدل‌های کاتالیزوری، که معمولاً حاوی پلاتین و رودیوم هستند، برخی از محصولات جانبی مضر موجود در انتشارات خودرو را کاهش می‌دهند.

2 CO + 2 NO → 2 CO₂ + N₂

در قلمرو سوخت‌های مصنوعی، سنتز فیشر-تروپش، یک فرآیند بسیار مهم، گاز سنتز را به هیدروکربن تبدیل می‌کند. این گاز سنتز خود از طریق واکنش های جابجایی آب و گاز کاتالیز شده با آهن تولید می شود. واکنش ساباتیر ​​تولید متان از دی اکسید کربن و هیدروژن را تسهیل می کند. علاوه بر این، بیودیزل و سایر سوخت‌های زیستی نیاز به پردازش شامل کاتالیزورهای معدنی و زیستی دارند.

پیل‌های سوختی برای تسهیل واکنش‌های آندی و کاتدی به کاتالیزورها وابسته هستند.

هیترهای کاتالیستی با استفاده از منبع سوخت قابل احتراق، گرمای بدون شعله تولید می‌کنند.

مواد شیمیایی کالا

چندین ماده شیمیایی با حجم بالا از طریق اکسیداسیون کاتالیزوری تولید می‌شوند که اغلب شامل اکسیژن است. نمونه های توضیحی شامل اسید نیتریک (مشتق شده از آمونیاک)، اسید سولفوریک (تولید شده از دی اکسید گوگرد به تری اکسید گوگرد از طریق فرآیند تماس)، اسید ترفتالیک از p-xylene، اسید آکریلیک از پروپیلن یا پروپان، و آکریلونیتریل از پروپان و آمونیاک است.

فرآیندهای صنعتی انرژی بر، با فرآیند هابر که نیتروژن و هیدروژن را روی یک کاتالیزور اکسید آهن ترکیب می کند. متانول از مونوکسید کربن یا دی اکسید کربن با استفاده از کاتالیزورهای مس-روی سنتز می شود.

پلیمرهای در مقیاس بزرگ که از اتیلن و پروپیلن منشا می گیرند اغلب با استفاده از کاتالیزورهای Ziegler-Natta تولید می شوند. پلی استرها، پلی آمیدها و ایزوسیانات ها از طریق کاتالیز اسید-باز سنتز می شوند.

اکثر فرآیندهای کربونیلاسیون به کاتالیزورهای فلزی نیاز دارند که نمونه های قابل توجهی از جمله فرآیند اسید استیک مونسانتو و هیدروفرمیلاسیون است.

مواد شیمیایی تخصصی

کاتالیز در تهیه بسیاری از مواد شیمیایی خوب، با استفاده از هر دو روش اقتباس شده از صنایع سنگین و فرآیندهای بسیار تخصصی که از نظر اقتصادی برای تولید در مقیاس بزرگ غیرممکن است، بسیار مفید است. به عنوان مثال می توان به واکنش Heck و واکنش Friedel-Crafts اشاره کرد. با توجه به اینکه اکثر ترکیبات زیست فعال کایرالیته را نشان می دهند، بسیاری از داروها از طریق کاتالیز انتی انتخابی (همچنین به عنوان سنتز نامتقارن کاتالیزوری شناخته می شود) تولید می شوند. به عنوان مثال، (R)-1،2-Propanediol، پیش ساز لووفلوکساسین ضد باکتری، می تواند به طور موثر از هیدروکسی استون با استفاده از کاتالیزورهای مشتق شده از کمپلکس های BINAP-روتنیوم در هیدروژناسیون نامتقارن Noyori سنتز شود.

برنامه های کاربردی صنایع غذایی

یک کاربرد برجسته کاتالیز، هیدروژنه کردن (واکنش با گاز هیدروژن) چربی ها، با استفاده از کاتالیزور نیکل برای تولید مارگارین است. بسیاری از محصولات غذایی دیگر نیز از طریق بیوکاتالیز تهیه می شوند.

تأثیر محیطی و برنامه های کاربردی

کاتالیز با افزایش کارایی عملیات صنعتی بر محیط زیست تأثیر می‌گذارد، اما نقش محیطی مستقیمی نیز دارد. یک مثال قابل توجه، عملکرد کاتالیزوری رادیکال های آزاد کلر در تخریب لایه ازن است. این رادیکال ها از برهمکنش پرتو فرابنفش با کلروفلوئوروکربن ها (CFC) منشاء می گیرند.

Cl^· + O§45§ → ClO^· + O§1011§

ClO^· + O^· → Cl^· + O§1011§

زمینه تاریخی

اصطلاح "کاتالیزور"، که به طور کلی به عنوان هر ماده ای که یک فرآیند را تسریع می کند، تعریف می شود، از کلمه یونانی "καταλύειν" به معنای "باطل کردن"، "باز کردن" یا "برداشتن" سرچشمه می گیرد. مفهوم اساسی کاتالیز توسط شیمیدان الیزابت فولهام ایجاد شد که کار ابتکاری او در مورد واکنشهای اکسیداسیون-کاهش در یک نشریه در سال 1794 به تفصیل شرح داده شد. Gottlieb Kirchhoff اولین مطالعه مستندی را در مورد یک واکنش شیمیایی در شیمی آلی انجام داد که به طور عمدی از یک کاتالیزور در سال 1811 استفاده کرد و تبدیل اسید کاتالیزور نشاسته به گلوکز را شناسایی کرد. متعاقباً، در سال 1835، یونس یاکوب برزلیوس اصطلاح کاتالیز را برای توصیف واکنش‌های تقویت شده توسط موادی که پس از واکنش از نظر شیمیایی بدون تغییر باقی می‌مانند، معرفی کرد. قابل توجه، آزمایش‌های کاهشی قبلی فولهام از آب استفاده می‌کرد، که در تضاد با رویکردهای مبتنی بر فلز که اغلب با مطالعات کاتالیزوری بعدی مرتبط است، تضاد داشت. شیمیدانان دیگر قرن هجدهم که در این زمینه مشارکت داشتند عبارتند از ایلارد میتسچرلیخ، که این پدیده ها را فرآیندهای تماسی نامید، و یوهان ولفگانگ دوبراینر، که از آنها به عنوان اقدام تماسی نام برد. دهه 1820 و همچنان مرتبط است. هامفری دیوی همچنین کاربرد کاتالیزوری پلاتین را شناسایی کرد. در طول دهه 1880، ویلهلم استوالد در دانشگاه لایپزیگ تحقیقات جامعی را در مورد واکنش‌هایی که توسط اسیدها و بازها کاتالیز می‌شوند، آغاز کرد و نشان داد که واکنش‌های شیمیایی با سرعت‌های قابل اندازه‌گیری پیش می‌روند، که می‌توان از آن برای تعیین استحکام اسید و باز استفاده کرد. این تحقیقات پیشگامانه جایزه نوبل شیمی 1909 را برای استوالد به ارمغان آورد. ولادیمیر ایپاتیف در توسعه برخی از اولین واکنش‌های کاتالیزوری در مقیاس صنعتی، از جمله کشف و تجاری‌سازی الیگومریزاسیون و ایجاد کاتالیزورهای هیدروژنه‌سازی نقش داشت.

بازدارنده ها، سموم، و مروج

ماده‌ای که برای کاهش سرعت واکنش معرفی می‌شود، اگر اثر آن برگشت‌پذیر باشد، بازدارنده واکنش نامیده می‌شود، یا اگر اثر آن غیرقابل برگشت باشد، سم کاتالیزور نامیده می‌شود. برعکس، پروموترها موادی هستند که بدون اینکه خود کاتالیزور باشند، فعالیت کاتالیزوری را افزایش می‌دهند.

در حالی که بازدارنده‌ها به دلیل اثر کاهش سرعت، گاهی اوقات برچسب «کاتالیزور منفی» می‌زنند، اصطلاح «بازدارنده» ترجیح داده می‌شود. این تمایز به این دلیل به وجود می‌آید که بازدارنده‌ها با ایجاد یک مسیر واکنش با انرژی فعال‌سازی بالا عمل نمی‌کنند، که نرخ کلی را کاهش نمی‌دهد زیرا مسیر غیر کاتالیز شده ادامه می‌یابد. در عوض، بازدارنده‌ها با غیرفعال کردن کاتالیزورهای موجود یا از بین بردن واسطه‌های واکنش، مانند رادیکال‌های آزاد، عمل می‌کنند. در زمینه کاتالیز ناهمگن، کک سازی، که شامل رسوب محصولات جانبی پلیمری بر روی سطح کاتالیزور است، به عنوان یک مکانیسم بازدارندگی مشترک عمل می کند.

فرای صرفاً تغییر نرخ واکنش، بازدارنده ها می توانند گزینش پذیری را نیز تغییر دهند. به عنوان مثال، در هیدروژناسیون آلکین ها به آلکن ها، یک کاتالیزور پالادیوم (Pd) که تا حدی با استات سرب (II) مسموم شده است (Pb(CH₃CO₂)§4_{5§) به عنوان کاتالیزور Lindlar استفاده می شود. این غیرفعال سازی جزئی بسیار مهم است زیرا، بدون آن، محصول آلکن تحت هیدروژناسیون بیشتر برای تشکیل یک آلکان قرار می گیرد.}

مهارکننده ها می توانند به این اثر انتخابی، به عنوان مثال، ترجیحاً انواع خاصی از مکان های فعال را مسموم کنند. مکانیسم دیگر شامل تغییر هندسه سطح کاتالیزور است. برای مثال، در فرآیندهای هیدروژناسیون، صفحات سطح فلزی بزرگ معمولاً هیدروژنولیز را تسهیل می‌کنند، در حالی که مکان‌های کوچک‌تر هیدروژنه شدن ترکیبات غیراشباع را کاتالیز می‌کنند. در نتیجه، یک سم به طور تصادفی بر روی سطح به طور نامتناسبی تعداد هواپیماهای بزرگ غیر آلوده را کاهش می دهد در حالی که بخش بیشتری از سایت های کوچکتر را آزاد می گذارد، در نتیجه تعادل انتخاب بین هیدروژنه شدن و هیدروژنولیز را تغییر می دهد. مکانیسم‌های متعدد دیگری برای عملکرد بازدارنده نیز قابل قبول است.

پرموتورها عملکردهای مختلفی از جمله پوشاندن سطح کاتالیزور برای جلوگیری از تشکیل رسوبات کک یا حذف فعال چنین موادی را انجام می‌دهند، همانطور که رنیوم روی پلاتین در فرآیندهای پلتفرمینگ نمونه‌ای از آن است. علاوه بر این، پروموترها می توانند پراکندگی مواد کاتالیزوری را افزایش دهند یا اتصال با معرف ها را تسهیل کنند.

کاتالیز پری بیوتیک در منشا حیات

فرایندهای اساسی حیات بر تعامل پیچیده بین پردازش اطلاعات و فعالیت کاتالیزوری انجام شده توسط پلیمرهای بیولوژیکی استوار است. یک مسیر تکاملی پیشنهادی ظهور توابع کاتالیزوری در پلیمرهای کدکننده اطلاعات پری بیوتیک را نشان می‌دهد. علاوه بر این، این فرضیه وجود دارد که حیات به عنوان یک سیستم RNA-پروتئین سرچشمه گرفته است، که در آن این دو جزء متقابلاً تشکیل یکدیگر را کاتالیز می کنند.

مراجع

مراجع

کمک علمی: صفحه کاتالیست ها، ارائه اطلاعات علمی مناسب برای دانش آموزان دبیرستانی.

• کمک علمی: صفحه کاتالیزورها برای علوم سطح دبیرستان
• W.A. هرمان، ارائه دانشگاه فنی.
• تحقیق در مورد کاتالیزورهای آلومیت که توسط آزمایشگاه Kameyama-Sakurai در ژاپن انجام شد.
• گروه شیمی معدنی و کاتالیز در دانشگاه اوترخت، واقع در هلند.
• مرکز شیمی و کاتالیز سطحی.
• آزمایشگاه CarboCat، وابسته به دانشگاه Concepcion در شیلی.
• NSF CENTC که مخفف مرکز توانمندسازی فناوری‌های جدید (از طریق کاتالیز) است.
• «حباب‌ها کاتالیزورهای شیمیایی را روشن می‌کنند»، همانطور که در Science News در 6 آوریل 2009 گزارش شد.