Katalüüs

Katalüüs on keemilise reaktsiooni kiirenemine tänu reaktsioonis osalevale spetsiifilisele lisandile, mida nimetatakse katalüsaatoriks. Erinevalt reagentidest katalüsaator reaktsioonitsükli jooksul taastub (regenereerub).

Tüüpiline neljas staadiumis kulgeva katalüütilise reaktsiooni (punane joon) energia diagramm võrreldes mittekatalüütilise reaktsiooniga (must joon). Siin E_a on aktivatsioonienergia ja ΔG on Gibbsi vabaenergia

Katalüsaatori osalusel toimuvat reaktsiooni nimetatakse katalüütiliseks reaktsiooniks. Tavaliselt katalüsaator osaleb reaktsiooni kõige aeglasemas staadiumis ja mõjutab seetõttu keemilise protsessi kiirust, seda suurendades. Seejuures katalüsaatori mõju sõltub katalüsaatori aktiivsusest ja kogusest; harilikult piisab juba väga väikesest kogusest. Tahke katalüsaatori korral võivad reaktsiooni kiirust määravateks osutuda reagentide ja produktide difusiooniprotsessid. Katalüsaator kiirendab reaktsiooni, madaldades aktivatsioonienergiat, inhibiitor aga aeglustab või takistab keemilist reaktsiooni.

Katalüüsi olemusest

Vasest katalüsaator skaneerivas elektronmikroskoobis

Katalüütilise reaktsiooni olemuse määrab katalüsaatori osavõtt mingist reaktsiooni staadiumi(te)st ja selle regenereerumine. Näide tüüpilisest katalüütilisest reaktsioonist, milles reagentide (X ja Y) liitumisel moodustub produkt (Z) katalüsaatori (Kat) juuresolekul.

1. X + Kat → XKat

2. Y + XKat → XYKat

3. XYKat → ZKat

4. ZKat → Z + Kat

Kõrvaloleval joonisel on skemaatiline energia muutus reaktsiooni käigus piki reaktsioonikoordinaati. Summaarne reaktsiooni tulemus – produkt ja soojusefekt on sama, mis katalüsaatori puudumisel, kuid katalüsaatori osalusel staadiumide ja intermediaatide arv suureneb, kusjuures aktivatsioonienergia on madalam ning seetõttu produkti moodustumise kiirus suurem.

X + Y → Z

Katalüüsiga seotud mõisteid

• Katalüsaator on aine, mis tõstab reaktsiooni kiirust. See reaktsiooni kiiruse tõstmine toimub reaktsiooni energiabarjääri madaldamise kaudu katalüsaatori poolt. Ensüümid on bioloogilised katalüsaatorid, mis võimaldavad sama temperatuuri juures reaktsiooni barjääri ületada rohkem reagentide molekule.
• Katalüsaatorid, mis suurendavad reaktsiooni kiirust, nimetatakse mõnikord ka positiivseteks katalüsaatoriteks. Sel juhul katalüütilise reaktsiooni kiirust limiteeriva staadiumi aktiveerimisenergia on madalam võrreldes mittekatalüütilise reaktsiooniga.
• Ained, mis suurendavad katalüsaatori aktiivsust, nimetatakse promootoriteks.
• Inhibiitor on aine, mis vähendab reaktsiooni kiirust või takistab ensüümi katalüüsi toimumist. Mõnikord kasutatakse nende kohta ka terminit negatiivne katalüsaator, kuigi see on pigem vananenud termin.
• Katalüsaatorimürkideks nimetatakse aineid, mis deaktiveerivad katalüsaatori pöördumatult. Ehkki katalüsaatorid reaktsiooni tsüklis regenereeruvad, võib nende efektiivsus protsessi käigus väheneda mitmete sekundaarsete toimete tõttu (deaktiveerumine, lagunemine, süsteemist väljumine jm).
• Heterogeense katalüüsi korral on katalüsaator erinevas faasis võrreldes reagentidega. Siin faas tähendab agregaatolekut, aga ka mittesegunevaid vedelikke nagu õli ja vesi. Gaasiliste või lahuses olevate reagentidega kasutatakse tihti tahkeid katalüsaatoreid. Tahke katalüsaatori aktiivsus on määratud pinna-aatomite poolt.
• Katalüsaatori kandja on tahke suure eripinnaga materjal, millele on fikseeritud katalüsaator. Enimkasutatavad on aktiivsüsi, alumiiniumoksiid, silikageel.
• Homogeense katalüüsi korral on katalüsaator reagentidega samas faasis, tavaliselt lahustatuna samas solvendis.
• Hape-aluskatalüüsi (happelis-aluselise katalüüsi) korral on tegemist hapekatalüüsiga (katalüsaatoriks on hape, tihti H⁺) või aluskatalüüsiga (katalüsaatoriks on alus, tihti OH^-).
• Redutseeriv-oksüdeeriva katalüüsi korral on katalüsaatoriteks metallid, nende oksiidid või sulfiidid.
• Organokatalüüsi korral kasutatakse reaktsiooni kiiruse suurendamiseks teatud orgaanilisi ühendeid, mis sisaldavad heteroaatomeid, kuid ei sisalda metallide aatomeid. Seejuures tihti tuleb kasutada suhteliselt suurt katalüsaatori kogust.
• Autokatalüüs on keemilise reaktsiooni kiirenemine ühe reaktsiooniprodukti kui katalüsaatori toimel.
• Biokatalüüs ehk ensüümkatalüüs on rakkudes toimuv spetsiaalsete proteiinide – ensüümide (fermentide) osalemine keemilises reaktsioonis, mis põhjustab katalüüsi. Ensüümid toimivad vaid mõõdukatel temperatuuridel. Ensüümid osalevad ka kääritamisprotsessides.
• Immobiliseeritud ensüüm on inertse lahustumatu materjaliga seotud ensüüm.
• Aktiivtsenter (active site) on heterogeense või ensüümkatalüsaatori molekuli piirkond, kus toimub substraadi sidumine ja katalüüs.
• Initsiaator erineb põhimõtteliselt katalüsaatorist. Initsiaatorid algatavad radikaalreaktsioone, kusjuures initsiaator kasutatakse reaktsiooni käigus ära.

Rakendused

Kuna katalüüs võimaldab kiirendada keemilisi reaktsioone ilma täiendava energiakuluta, siis rakendatakse seda laialdaselt keemiatööstuses: väävelhappe tootmine, ammoniaagi süntees, rasvade hüdrogeenimine, nafta krakkimine, kütuste hüdrogeenimine, keemiline süntees, polümerisatsioon, alküülimine, isomeriseerimine, oksüdeerimine, hüdraatimine, halogeenimine jm.

Vaata ka

• Katalüsaator
• Katalüütiline tsükkel
• Polümerisatsioon
• Katal
• Faasiülekande katalüüs

Välislingid

• Teaduse helisõnastik: Katalüüs (Uno Mäeorg) – ERR Teadus, 21. oktoober 2010
• [1] Toomas Tamme õppevideo "Keemiline kineetika" (katalüüsist alates 1:07:17)
• [2] Katalüüsi teemast 2021. aasta keemia Nobeli auhinna kontekstis. Ingliskeelne video