Энергия реакции с присутствующим катализатором и без него для снижения энергии активации.

Что такое катализатор?
Давайте поговорим о том, что такое катализатор. Катализатор - это соединение или элемент, который увеличивает скорость химической реакции, например, скорость, с которой она протекает, сам по себе не являясь частью реакции. Вообще говоря, катализатор не разрушается, не расходуется и не изменяется навсегда в ходе реакции. Катализатор делает это за счет снижения энергии активации, что мы объясним в следующем разделе.

Катализаторы работают, обеспечивая альтернативный путь протекания реакции с более низкой энергией активации, что облегчает реагентам образование продуктов. Это позволяет реакции протекать быстрее и эффективнее. Катализаторы могут быть как природными, так и синтетическими, и они обычно используются в промышленности для повышения эффективности и экономичности химических реакций.

Например, ферменты являются природными катализаторами, которые необходимы для многих химических реакций, происходящих в нашем организме, а промышленные катализаторы используются в производстве широкого спектра продуктов, включая пластмассы, топливо и фармацевтические препараты.

Что такое энергия активации?
Проще говоря, энергия активации - это энергия, необходимая для начала реакции между двумя или более элементами или соединениями. Реакция с высокой энергией активации может протекать медленно или вообще не протекать. Чтобы ускорить или запустить реакцию, вы можете либо добавить необходимую энергию активации, либо использовать катализатор, который снижает это требование, эффективно ускоряя реакцию.

Единицы энергии активации выражаются в единицах энергии. Наиболее распространенными используемыми единицами являются КДЖ / моль или Дж / моль.

Как работает катализатор?
Катализатор увеличивает скорость реакции за счет уменьшения энергии активации. Снижение энергии активации означает, что для начала реакции требуется меньше энергии.

При наличии катализатора энергия активации (ea) меньше. Визуально холм, на который должна подняться реакция, прежде чем перейти к продуктам, меньше. Так же, как езда на велосипеде по небольшому подъему легче, чем по большему подъему, реакция протекает быстрее, когда холм энергии активации меньше.

Катализатор снижает энергию активации, изменяя переходное состояние реакции. Затем реакция проходит по другому пути / механизму, чем некатализируемая реакция. Катализатор не изменяет разницу в чистой энергии между реагентом и продуктом. Итоговое уравнение реакции будет одинаковым в катализируемой и некатализируемой реакции, даже если изменяется переходное состояние.

Общая реакция: A + B + катализатор –> AB + катализатор

Чистая реакция: A + B –> AB

Основные категории катализаторов

Гетерогенный катализатор
Гетерогенный катализатор находится в другой фазе, чем реагенты. Обычно это означает, что катализатор находится в твердой фазе, а реагенты находятся в жидкой или газовой фазе. Другое название гетерогенного катализатора - поверхностный катализатор.

Гетерогенные катализаторы работают путем прикрепления катализатора к твердой опорной структуре, и реагенты протекают над катализатором и мимо него, вступая в реакцию по пути. Преимущество этого типа катализатора заключается в том, что катализатор легко отделяется от продукта по завершении реакции. Затем катализатор можно легко использовать повторно. В производстве это важная мера по сокращению затрат. Недостатком гетерогенного катализатора является то, что степень взаимодействия между реагентом и катализатором может быть ограничена площадью поверхности и диффузией продукта от поверхности.

Распространенным гетерогенным катализатором является каталитический нейтрализатор для бензина в автомобилях. Другим важным гетерогенным катализатором является процесс Хабера-Боша, который образует NH3.

Гомогенный катализатор
В гомогенном катализаторе и реагенты, и катализатор находятся в одной и той же фазе. Обычно они оба находятся либо в жидкой, либо в газовой фазе.

Основным преимуществом гомогенного катализатора является повышенное взаимодействие между реагентом и катализатором. Оба могут свободно перемещаться и, следовательно, с большей вероятностью будут взаимодействовать и приводить к реакции.

Обычными гомогенными катализаторами являются переходные металлы и кислоты. Одной из гомогенно катализируемых реакций является превращение кислорода в озон в атмосфере. Оксид азота (NO) катализирует реакцию. Все участники реакции находятся в газовой фазе. Поэтому мы знаем, что это гомогенная каталитическая реакция.

Ферменты
Ферменты - это большие белки, которые являются биологическими катализаторами. Это мощные силы в организме. Часто они катализируют только одну очень специфическую реакцию (по сравнению с неорганическими катализаторами, которые часто катализируют гораздо более широкий набор реакций). Специфичность обусловлена активным центром в катализаторе — карманом специфического химического состава, образованным аминокислотами, где подойдет только одна очень специфическая модель реагента. Это также называется моделью блокировки и ключа.

Ферменты играют много важных ролей в организме. Они катализируют расщепление крахмала с образованием глюкозы. Они также преобразуют углекислый газ (CO2) в другие молекулы, необходимые организму, такие как HCO3–. Ферменты помогают и ускоряют почти все процессы в организме.

Расчет энергии активации
В расчетах энергии активации используется уравнение Аррениуса. Основы будут рассмотрены здесь, но для получения дополнительных примеров и углубленного анализа обязательно ознакомьтесь со статьей об уравнении Аррениуса.

Уравнение Аррениуса равно:

k = А.ехр(Е/RT)

Где kконстанта скорости, E_aэнергия активации, Aкоэффициент частоты, Rгазовая постоянная и Tтемпература.

Мы можем найти энергию активации, если знаем константу скорости (k) при различных температурах (T). Чтобы определить энергию активации (E_a), мы строим график ln(k)vs 1/Т. Поступая таким образом, мы получаем линию с наклоном –E_a/R и y-перехватом A. Rявляется константой, поэтому мы можем решить для энергии активации.

Список распространенных катализаторов:
Пентоксид ванадия (для получения серной кислоты)
Металлический палладий
Диоксид марганца
Металлическая платина (в каталитических нейтрализаторах)
Металлическое железо (в процессе Хабера)
Хлорид алюминия (многие органические реакции)
Оксид меди (II)
Ферменты (природные катализаторы в биохимических реакциях)

Словарные определения катализаторов и энергии активации

Энергия активации – энергия, необходимая для начала реакции между двумя или более элементами или соединениями
Катализатор– Молекула, которая увеличивает скорость реакции и не расходуется в реакции
Число оборотов – количество реакций, которые один фермент может катализировать в секунду.
Фермент – биологический катализатор, состоящий из аминокислот.
Модель блокировки - модель, в которой фермент и молекула реагента имеют одинаковую форму в активном центре для повышения специфичности и эффективности реакции.
Гомогенный катализатор – катализатор, присутствующий в той же фазе, что и реагенты.
Гетерогенный катализатор - катализатор, находящийся в фазе, отличной от фазы реагентов.
Мы надеемся, что теперь вы знаете, что такое катализатор, как он влияет на реакцию и как играет роль энергия активации. Эти концепции станут более важными, если вы углубитесь в кинетику химических реакций.