Hlavní obsah

Kurz: Chemie > Kapitola 13

Lekce 3: Arrhenius equation and reaction mechanisms

Druhy katalyzátorů

Co je katalyzátor? Uvádíme příklady enzymů, acidobazických katalyzátorů a heterogenních (nebo povrchových) katalyzátorů.

Co je potřeba si zapamatovat

Katalyzátor je látka, která po přidání do reakční směsi zvýší rychlost reakce a sama při tom není spotřebována.
Katalyzátory obvykle zvyšují rychlost reakce tím, že sníží její aktivační energii, nebo tím, že změní mechanismus jejího průběhu.
Enzymy jsou proteiny, které plní roli katalyzátorů v biochemických reakcích.
Běžnými typy katalyzátorů jsou enzymy, acidobazické katalyzátory a heterogenní (nebo povrchové) katalyzátory.

Úvod: Kinetický myšlenkový experiment

Tvůj mozek získává energii z oxidace glukózy, tento proces můžeme reprezentovat následující reakcí:

C_{6} H_{12} O_{6} (s) + 6 O_{2} (g) \to 6 C O_{2} (g) + 6 H_{2} O (l) + t e p l o Δ G^{\circ} při 25^{\circ} C = - 2885 \frac{kJ}{mol}

Bez této reakce by bylo studium chemie mnohem obtížnější, její průběh je naštěstí z termodynamického hlediska při

25^{\circ} C

příznivý, protože

Δ G^{\circ} < 0

Proč si to nezkusit? Zkus si najít něco dobrého a pěkně sladkého, například rozinku a vystav ji nějakému zdroji kyslíku (můžeš ji třeba držet na vzduchu). No a co se stane?

Cítíš, jak se zahřívá? Vidíš, jak se na ni tvoří kapky vody, kterými probublává oxid uhličitý?

Pravděpodobně nic takového nepozoruješ, jediné, co se může stát, je, že tvá rozinka o trošku více vyschne. I přesto, že je tato reakce z termodynamického hlediska možná, její rychlost je velmi velmi nízká.

Rychlost chemické reakce obecně závisí na:

Aktivační energii
Teplotě: pokud rozinku zahřeješ na dostatečně vysokou teplotu, pravděpodobně vzplane a zoxiduje

Tyto dva parametry jsou velmi úzce spjaty: zvýšením teploty v reakčním systému zvýšíme kinetickou energii reaktantů, čímž zvýšíme pravděpodobnost, že molekuly budou mít dostatečnou energii k překonání aktivační bariéry.

Jak se tvé tělo dokáže vypořádat s procesem spojeným s oxidací glukózy? Tvá tělesná teplota pravděpodobně není o moc vyšší než

25^{\circ} C

, jak je tedy možné, že k této reakci v těle běžně dochází?

Biologické systémy využívají katalyzátory k usnadnění průběhu oxidačních reakcí, probíhají pak rychleji za relativně nízkých teplot. V následujícím článku si krátce povíme něco o katalyzátorech a o jejich různých typech.

Co je to katalyzátor?

Katalyzátory jsou látky, které po přidání do reakční směsi zvýší rychlost reakce a samy při tom nejsou spotřebovány. Fungují tak, že působí

Snížení energie transitního stavu, tedy snížení aktivační energie.
Změnu reakčního mechanismu, reakce pak probíhá přes jiný transitní stav o nižší energii.

Katalyzátory jsou úplně všude! Spousta biologických procesů, například zmíněná oxidace glukózy, je závislá na enzymech, proteinech, které plní funkci katalyzátorů.

Dalšími běžnými typy katalyzátorů jsou acidobazické katalyzátory a heterogenní (nebo povrchové) katalyzátory.

Příklad: Karboanhydráza

Enzym karboanhydráza katalyzuje vratnou reakci oxidu uhličitého

({CO}_{2})

s vodou

(H_{2} O)

za vzniku kyseliny uhličité. V případě, že je v našem těle koncentrace

{CO}_{2}

příliš vysoká, karboanhydráza katalyzuje následující reakci:

{CO}_{2} + H_{2} O \to H_{2} {CO}_{3}

Regulací koncentrace kyseliny uhličité v krvi a ve tkáních nám tento enzym pomáhá udržovat správné

pH

v těle.

Karboanhydráza je jeden z nejrychlejších enzymů, které známe. Dokáže zkatalyzovat

10^{4}

až

10^{6}

reakcí za sekundu. Fascinující je tato čísla srovnat s nekatalyzovanou reakcí, která proběhne přibližně

0, 2

krát za sekundu. To je zhruba

10^{5} - 10^{7}

násobné navýšení reakční rychlosti!

Na následujícím obrázku můžeme vidět energetický diagram reakce mezi oxidem uhličitým a vodou, která dává vzniknout kyselině uhličité. Reakce, která probíhá za přítomnosti katalyzátoru, je vyznačena modře, nekatalyzovaná reakce má pak červenou barvu.

Energetický diagram reakce mezi oxidem uhličitým a vodou za vzniku kyseliny uhličité. Přídavkem katalyzátoru (modrá čára) lze snížit energii transitního stavu, $Δ H_{reakční}$ ‍ se však nemění v porovnání s nekatalyzovanou reakcí (červená čára). Obrázek převzat z Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Katalyzátor snižuje energii transitního stavu reakce. Vzhledem k tomu, že aktivační energie je definována jako rozdíl energie transitního stavu a energie reaktantů, můžeme říci, že katalyzátor snižuje aktivační energii.

Všimni si, že energie reaktantů a produktů jsou stejné jak pro katalyzovanou, tak nekatalyzovanou reakci. Proto se celková energie reakce,

Δ H_{reakční}

, po přidání enzymu nemění. Což nás přivádí k velmi důležitému bodu: reakční kinetika (tedy rychlost reakce) není přímo svázaná s termodynamikou.

Acidobazická katalýza

V kyselé katalýze hraje roli katalyzátoru většinou ion

H^{+}

. V bazické katalýze tuto roli plní ion

{OH}^{-}

Příklad reakce, která může být katalyzována kyselinou, je hydrolýza sacharózy, se kterou se běžně můžeš setkat v podobě cukru v cukřence. Molekulu sacharózy tvoří dvě molekuly jednodušších cukrů (monosacharidů), glukózy a fruktózy. Přidáním kyseliny nebo vhodného enzymu jako je sacharáza, můžeme sacharózu rozštěpit na její stavební bloky, glukózu a fruktózu. Reakce probíhá následovně:

V prvním kroku sacharóza vratně zreaguje s

H^{+}

(červeně) za vzniku naprotonované sacharózy. Naprotonovaná sacharóza pak reaguje s vodou (modře), kdy se vytvoří jeden ion

H^{+}

, jedna molekula glukózy a jedna molekula fruktózy. Celkovou reakci můžeme zapsat takto:

Sacharóza + H_{2} O \overset{katalyzující kyselina}{\to} Glukóza + Fruktóza

Ion

H^{+}

vystupuje jako reaktant i jako produkt a jeho množství se reakcí nijak nemění. Což je chování, které bychom od katalyzátoru očekávali.

Heterogenní katalýza

Typický znakem heterogenního katalyzátoru je to, že jej tvoří jiná fáze než reaktanty. Katalyzátor tedy může být v pevné fázi a reaktanty jsou pak ve formě plynu nebo v kapalné fázi.

Příkladem heterogenního katalyzátoru může být katalyzátor výfukových plynů v autech s benzínovými nebo dieselovými motory. Automobilové katalyzátory jsou tvořeny pevným nosičem, na kterém je nanesena samotná katalytická vrstva tvořená přechodným kovem. Takový pevný katalyzátor pak přichází do styku s plyny procházejícími výfukem, čímž urychluje reakce, jimiž se toxické výfukové plyny (oxid uhelnatý nebo nespálené palivo) přeměňují na méně škodlivé látky.

Reakce v automobilovém katalyzátoru probíhají na jeho povrchu, v prvním kroku reakce tedy musí dojít k adsorpci reaktantů na povrch katalyzátoru. Rychlost reakcí katalyzovaných heterogenním katalyzátorem roste s velikostí povrchu, který je v kontaktu s reaktanty. Proto je nosič katalytické vrstvy v automobilovém katalyzátoru navržen tak, aby byl porézní a měl co největší povrch.

Dalším příkladem procesu, kdy se využívá heterogenní katalýzy, je příprava některých plastů (obecně polymerů) jako je třeba polyethylen. Tyto katalyzátory se jmenují Zieglerovy-Nattovy katalyzátory a běžně se využívají v průmyslu při výrobě produktů od potravinové fólie ke kelímkům na jogurt. I zde je katalytická vrstva tvořená přechodnými kovy nanesena na nosič, reakce pak probíhá buď v plynné nebo v kapalné fázi, kdy se reaktanty (monomery) přeměňují ve výsledný polymer.

Přestože reaktanty polymerační reakce mohou být plynné, výsledný produkt, polymer, je pak pevná látka. Taková reakce pak trošku připomíná přípravu popcornu: suchá semínka kukuřice jsou katalyzátor na svém nosiči, plynné monomery se na něj adsorbují a vytvářejí polymerní řetězce, které se na katalyzátor postupně nabalují až vytvoří ''popcornovou'' částici.

Shrnutí

Katalyzátor je látka, která po přidání do reakční směsi zvýší rychlost reakce a sama při tom není spotřebována.
Katalyzátory obvykle zvyšují rychlost reakce tím, že sníží její aktivační energii, nebo tím, že změní mechanismus jejího průběhu.
Enzymy jsou proteiny, které plní roli katalyzátorů v biochemických reakcích.
Běžnými typy katalyzátorů jsou enzymy, acidobazické katalyzátory a heterogenní katalyzátory.

Chceš se zapojit do diskuze?

Přihlášení

Setřídit podle:

Zatím žádné příspěvky.

Umíš anglicky? Kliknutím zobrazíš diskuzi anglické verze Khan Academy.