Katalisis. Levchenkov S.I.

Salah satu metode paling umum untuk mengatur laju reaksi adalah penggunaan katalis.

Katalis- ini adalah zat yang secara aktif berpartisipasi dalam tahap peralihan reaksi, mengubah laju keseluruhan proses, tetapi ditemukan dalam produk reaksi dalam keadaan tidak berubah.

Perubahan laju reaksi dengan adanya katalis disebut katalisis, dan reaksinya sendiri – reaksi katalitik.

Ada dua pendekatan untuk mengklasifikasikan reaksi katalitik.

1. Berdasarkan adanya batas fasa dibedakan sebagai berikut:

– katalisis homogen ketika reagen, katalis dan produk reaksi berada dalam fase yang sama;

– katalisis heterogen ketika katalis dan reaktan dengan produk reaksi berada dalam fase yang berbeda; Seringkali katalis membentuk fase padat, dan reaktan serta produk berada dalam fase cair atau fase gas.

2. Menurut sifat perubahan laju reaksi, terjadi :

– katalisis positif, di mana katalis meningkatkan laju reaksi;

– katalisis negatif (penghambatan), di mana katalis ( penghambat) memperlambat laju reaksi;

– autokatalisis ketika produk reaksi berperan sebagai katalis; misalnya, dalam hidrolisis ester

CH 3 COOH 3 + H 2 O CH 3 COOH + CH 3 OH

Asam asetat yang terbentuk sebagai hasil reaksi memisahkan ion hidrogen, yang mulai berperan sebagai katalis untuk reaksi hidrolisis. Oleh karena itu, reaksi yang awalnya lambat memiliki kecepatan yang semakin meningkat seiring berjalannya waktu.

Untuk menjelaskan mekanisme reaksi katalitik, diusulkan teori perantara. Menurut teori ini, dalam katalisis positif katalis ( KE) dengan kecepatan tinggi membentuk senyawa antara dengan salah satu reagen, yang juga dengan cepat berinteraksi dengan reagen kedua:

A+BD(perlahan-lahan)

1) A+KAK(cepat)

2) AK + BD + K(cepat)

Dari Gambar 4a terlihat jelas bahwa energi aktivasi proses non-katalitik jauh lebih besar dibandingkan energi aktivasi transformasi katalitik tahap pertama dan kedua. Jadi, dengan katalisis positif Peran katalis adalah untuk mengurangi energi aktivasi reaksi.

Jalur reaksi a)

Jalur reaksi b) Jalur reaksi a)

Gambar 4 Diagram energi reaksi katalitik (a) dan

reaksi terhambat (b)

Dalam reaksi penghambatan, inhibitor ( SAYA) membentuk senyawa antara yang kuat dengan kecepatan tinggi ( AI), yang dengan sangat lambat berubah menjadi produk reaksi:

A+BD(perlahan-lahan)

1) A + saya AI(sangat cepat)

2) AI + BD + I(Sangat lambat)

Gambar 4b menunjukkan bahwa tahap penghambatan pertama, dibandingkan dengan proses tanpa hambatan, memiliki energi aktivasi yang lebih rendah dan berlangsung sangat cepat. Pada saat yang sama, energi aktivasi tahap kedua penghambatan jauh lebih besar dibandingkan dengan reaksi tanpa hambatan. Jadi, dalam reaksi terhambat peran inhibitor adalah meningkatkan energi aktivasi reaksi.

FITUR ENZIMASI

KATALISIS

Enzim(dari lat. fermentasi– penghuni pertama) – katalis biologis yang ada di semua sistem biologis. Mereka melakukan transformasi zat dalam tubuh, sehingga mengarahkan dan mengatur metabolismenya. Enzim banyak digunakan dalam industri makanan dan ringan. Secara kimiawi, enzim adalah molekul protein globular.

Katalisis enzim (biokatalisis)– adalah percepatan reaksi kimia dalam sistem biologis oleh protein khusus – enzim. Katalisis enzimatik didasarkan pada prinsip kimia yang sama dengan dasar katalisis kimia konvensional yang digunakan dalam produksi kimia. Namun katalisis enzimatik memiliki karakteristik tersendiri:

1. Aktivitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan katalis kimia (peningkatan kecepatan sebesar 10 10 – 10 13 kali). Hal ini terjadi karena reaksi enzimatik pada semua tahap mempunyai energi aktivasi yang sangat rendah (Gambar 5).

2. Kebanyakan enzim berbeda kekhususan tindakan, sehingga hampir setiap reaksi transformasi suatu reaktan ( substrat) ke dalam produk dilakukan oleh enzim khusus. Ada dua teori tentang kekhususan kerja enzim:

1) teori Fisher(teori kunci-kunci): enzim dan substrat, menurut struktur spasialnya, harus cocok satu sama lain seperti kunci pada gemboknya;

2) teori Koshland Teori ("tangan dan sarung tangan"): enzim dan substrat secara individual mungkin tidak memiliki bentuk spasial yang sesuai satu sama lain, tetapi ketika didekatkan, konfigurasinya berubah sedemikian rupa sehingga korespondensi spasial yang ketat menjadi mungkin.

3. Enzim dikarakterisasi fenomena inaktivasi– penghancuran molekul enzim setelah interaksi dengan sejumlah molekul substrat tertentu. Semakin tinggi aktivitas enzim, semakin cepat enzim tersebut terurai. Fenomena inaktivasi dijelaskan oleh teori Koshland. Memang, semakin aktif suatu enzim, semakin intens interaksinya dengan substrat, di mana molekul enzim mengalami deformasi spasial yang signifikan. Deformasi berulang seperti itu menyebabkan putusnya ikatan kimia terlemah, yaitu hancurnya molekul enzim.

4. Setiap enzim mengandung molekul protein. Satu komponen hanya terdiri dari molekul protein, dan dua komponen– dari molekul protein dan komponen non-protein yang terkait dengannya (ion anorganik atau molekul senyawa organik – paling sering berupa molekul vitamin atau produk transformasinya) – kofaktor. Kompleks molekul protein dan kofaktor disebut holoenzim, yang memiliki aktivitas katalitik maksimum. Bagian protein dari holoenzim disebut feron, dan bagian non-proteinnya adalah lalu. Komponen protein yang tidak mempunyai kofaktor disebut apoenzim, dan kofaktor yang dipisahkan dari molekul protein adalah koenzim. Terpisah dari kofaktor, molekul protein memiliki aktivitas yang sangat rendah, dan koenzim sebagai katalis umumnya tidak aktif.

5. Tindakan sebagian besar enzim diatur, yaitu, mereka mampu bertransisi dari keadaan aktivitas rendah ke keadaan aktivitas tinggi dan sebaliknya. Mekanisme pengaturan adalah sistem kompleks yang melaluinya tubuh mengontrol seluruh fungsinya.

6. Enzim sangat sensitif terhadap pengaruh kondisi luar. Mereka aktif dalam kisaran suhu dan nilai pH yang relatif sempit.

Mekanisme reaksi enzimatik mirip dengan mekanisme reaksi yang dikatalisis oleh katalis kimia:

S + E ES P + E,

artinya, pada mulanya ia terbentuk dengan sangat cepat enzim-substrat kompleks ES, yang dapat berdisosiasi kembali ke dalam substrat S dan enzim E, tetapi juga perlahan berubah menjadi produk reaksi P. Pada konsentrasi enzim yang konstan, ketergantungan laju awal konversi substrat v 0 dari konsentrasi awalnya dijelaskan Persamaan kinetik Michaelis-Menten:

v 0 = ,

Di mana km Dan V maks– parameter kinetik yang mencerminkan mekanisme kerja enzim.

Metode penentuan parameter ini berdasarkan penggunaan Persamaan Lineweaver – Burk, yang diperoleh dengan mentransformasikan persamaan Michaelis – Menten:

= +

Gambar 6 menunjukkan metodologi untuk menentukan parameter km Dan V maks. V maks - adalah laju reaksi awal maksimum untuk konsentrasi enzim tertentu [ E] (Gambar 7). Aktivitas enzim molar(a E) ditentukan oleh relasi:

yang menunjukkan jumlah molekul substrat yang diubah oleh satu molekul enzim per satuan waktu. Misalnya saja untuk reaksinya CO 2 + H 2 O H 2 CO 3, dikatalisis oleh enzim darah karbonat dehidratase dan E = 36∙10 6 mol BERSAMA 2/(min∙mol E), yaitu 1 molekul enzim dalam satu menit mengkatalisis transformasi 36 juta molekul BERSAMA 2.

Gambar 7 Ketergantungan laju awal reaksi enzimatik pada konsentrasi awal substrat

Parameter km artinya jumlah substrat yang diperlukan untuk mengikat setengah enzim yang tersedia menjadi kompleks enzim-substrat dan mencapai setengah kecepatan maksimum (Gambar 7). Itu sebabnya km dapat digunakan untuk menilai kekhususan kerja enzim tertentu dalam kaitannya dengan substrat tertentu. Misalnya saja untuk reaksinya

monosakarida + ATP gula fosfat + ADF,

dikatalisis oleh enzim heksokinase, diperoleh glukosa km= 8∙10 –6 mol/l, dan untuk allose km= 8∙10 –3 mol/l. Akibatnya, enzim berinteraksi lebih istimewa dengan glukosa, karena enzim memerlukan 1000 kali lebih sedikit daripada alose untuk mencapai hasil yang sama.

4. KESETIMBANGAN KIMIA

Ketika keadaan kesetimbangan kimia tercapai, jumlah molekul zat berhenti berubah dan tetap konstan seiring waktu dalam kondisi eksternal yang konstan. Kesetimbangan kimia mempunyai ciri-ciri sebagai berikut:

1) kesetaraan laju reaksi maju dan mundur;

2) keteguhan konsentrasi (tekanan parsial) komponen dalam kondisi eksternal yang konstan;

3) mobilitas, yaitu kemampuan untuk pulih secara spontan dengan perpindahan kecil;

4) kesetimbangan dicapai melalui reaksi maju dan reaksi balik.

Perhatikan diagram energi suatu reaksi kimia

A+BD(Angka 8). Untuk reaksi ini:

Gambar 8 Diagram energi reaksi kimia reversibel

Akibatnya, pada suhu tertentu, reaksi maju dan reaksi balik mempunyai konstanta laju yang terdefinisi dengan baik. Oleh karena itu, dalam reaksi reversibel, kurva kinetiknya terlihat seperti pada Gambar 9 A. Dari gambar tersebut terlihat setelah mencapai waktu t r konsentrasi komponen tetap tidak berubah.

Menurut hukum pada aksi massal

Dari Gambar 9 B Hal ini dapat dilihat setelah mencapai waktu kesetimbangan tp kesetaraan kecepatan tercapai. Kemudian

Di mana ke c= adalah konstanta kesetimbangan kimia yang ditentukan dari konsentrasi kesetimbangan komponen.

Gambar 9 Kurva kinetik (a) dan ketergantungan laju reaksi maju dan mundur terhadap waktu (b) untuk reaksi reversibel

Secara umum, untuk reaksinya

mA +nB qD +fe

konstanta kesetimbangan diberikan oleh

Dengan demikian, ke c adalah parameter karakteristik suatu sistem reaksi pada suhu tertentu, yang menentukan perbandingan konsentrasi komponen dalam keadaan kesetimbangan kimia.

Jika reaksi terjadi dalam fase gas, maka tekanan parsial komponen sistem digunakan sebagai pengganti konsentrasi. Untuk reaksi kesetimbangan di atas, konstanta kesetimbangan, yang ditentukan dari tekanan parsial komponen-komponen pada kesetimbangan, ditemukan sebagai

Untuk gas ideal р saya =C saya RT. Itu sebabnya

dimana - adalah perubahan jumlah mol komponen selama reaksi.

Nilai-nilai ke c Dan Kp bergantung pada suhu dan sifat komponen sistem reaksi.

Dari persamaan Arrhenius untuk reaksi maju dan mundur sebagai berikut:

dalam k pr= mencatat Sebuah pr dan ln oke arr.= mencatat Sebuah arr.

Dari dulu

dalam K r= mencatat

Di mana ΔН pr– efek termal dari reaksi langsung.

Dari persamaan yang dihasilkan maka ketergantungan Kp tampak seperti garis lurus dan untuk itu (Gambar 10), berikut ini .

Untuk menentukan ΔH pr mencari nilainya dengan menggunakan metode analitis Kp pada dua suhu yang berbeda dan melakukan perhitungan menggunakan rumus

ΔH pr

Gambar 10 Penentuan efek termal dari reaksi endotermik langsung ( ΔН pr >0)

Ekspresi terakhir disebut persamaan integral isobar reaksi kimia. Ini menghubungkan konstanta kesetimbangan pada dua suhu berbeda dan menjelaskan sistem kesetimbangan di mana tekanan total tetap konstan seiring perubahan suhu.

Jika, ketika suhu berubah, volume sistem tetap konstan, seperti misalnya selama reaksi dalam larutan, maka hubungan antara parameter dinyatakan melalui isokore suatu reaksi kimia

ΔU pr .

Membahas arah reaksi kimia dari sudut pandang termodinamika kimia, diketahui bahwa sistem berada dalam keadaan kesetimbangan kimia pada kondisi ∆G= 0. Berdasarkan posisi tersebut diperoleh persamaan isoterm reaksi kimia, yang memungkinkan Anda menentukan tandanya ∆G dan, oleh karena itu, arah reaksi kimia, asalkan komponen-komponen sistem reaksi dicampur dalam perbandingan yang berubah-ubah:

ΔG= RT(dalam – dalam Kp)

Di mana hal A Dan hal V- tekanan parsial sewenang-wenang dari komponen yang diperoleh dengan mencampurkannya.

Hubungan serupa diusulkan untuk sistem yang komponen-komponennya berada dalam solusi.

Misalnya saja untuk reaksinya

mA+nB qD+fe,

yang kesetimbangannya tercapai dalam fasa cair, persamaan isoterm reaksi kimianya berbentuk sebagai berikut:

ΔG= RT(dalam - dalam ke c)

di mana adalah fraksi mol komponen dalam larutan, yang diperoleh dengan mencampurkan sejumlah zat A, B, D Dan E.

Pergeseran keseimbangan. Perubahan suhu, konsentrasi, atau tekanan suatu sistem dalam keadaan setimbang akan membuatnya tidak seimbang. Namun setelah waktu tertentu, keadaan setimbang baru kembali terbentuk dalam sistem, yang parameternya sudah berbeda dari keadaan semula. Transisi suatu sistem dari satu keadaan setimbang ke keadaan setimbang lainnya ketika kondisi berubah disebut pergeseran kesetimbangan. Ini digunakan untuk meningkatkan hasil produk target untuk sistem yang memiliki nilai konstanta keseimbangan yang kecil. Selain itu, metode pergeseran kesetimbangan dapat menekan proses-proses yang tidak diinginkan yang terjadi secara paralel.

Namun perlu diingat dua faktor yang tidak mempengaruhi keadaan keseimbangan. Pertama, memasukkan katalis ke dalam sistem kesetimbangan tidak menyebabkan pergeseran kesetimbangan. Katalis secara bersamaan menurunkan energi aktivasi reaksi maju dan mundur, yang menyebabkan peningkatan laju kedua reaksi pada tingkat yang sama. Sebagai hasil dari penggunaan katalis, keadaan kesetimbangan tercapai dalam periode waktu yang lebih singkat. Kedua, dalam sistem kesetimbangan heterogen, konsentrasi dan tekanan parsial padatan yang tidak larut dan tidak mudah menguap tidak termasuk dalam ekspresi konstanta kesetimbangan. Misalnya saja untuk reaksinya FeO +CO Fe +CO 2 konstanta kesetimbangan didefinisikan sebagai Kp= .

Pengaruh suhu. Persamaan isokore Dan isobar memungkinkan untuk memprediksi arah pergeseran kesetimbangan dengan perubahan suhu. Misalnya, jika sistem berada dalam kesetimbangan dan reaksi majunya bersifat eksotermik (DN pr <0), то при повышении температуры (T 2 >T 1) ketimpangan harus diperhatikan K hal ,2 K hal ,1. Hal ini menunjukkan bahwa pada keadaan setimbang baru tekanan parsial produk reaksi akan lebih rendah, yaitu reaksi bergeser ke kiri.

Peningkatan suhu menggeser kesetimbangan ke arah reaksi endoterm, dan penurunan suhu menggeser kesetimbangan ke arah reaksi eksoterm.

Dengan demikian, hasil produk tertinggi tercapai:

Untuk reaksi eksotermik pada suhu rendah;

Untuk reaksi endotermik pada suhu tinggi.

Pengaruh konsentrasi (tekanan parsial). Persamaannya isoterm memungkinkan Anda memprediksi arah pergeseran kesetimbangan ketika konsentrasi komponen mana pun dalam sistem kesetimbangan berubah. Biarkan sistem berada dalam keadaan setimbang. Kemudian ΔG=0 dan konsentrasi komponen dalam persamaan isoterm sesuai dengan nilai kesetimbangan dan = ke c. Jika sebagian produk reaksi dikeluarkan dari sistem, maka timbul keadaan tidak setimbang dengan rasio parameter ke c dan dengan demikian, ΔG< 0. Pertidaksamaan terakhir merupakan kondisi termodinamika terjadinya reaksi langsung secara spontan. Akibatnya, keadaan kesetimbangan baru dicapai dengan mengubah sebagian reaktan awal menjadi produk reaksi - dengan menggeser kesetimbangan ke kanan.

Peningkatan konsentrasi (tekanan parsial) reagen awal menggeser kesetimbangan ke arah pembentukan produk, dan penurunan konsentrasinya (tekanan parsial) - menuju konversi terbalik produk menjadi produk asli. Peningkatan konsentrasi (tekanan parsial) produk menggeser kesetimbangan ke arah reaksi balik, dan penurunan konsentrasi (tekanan parsial) menggeser kesetimbangan ke arah reaksi maju.

Oleh karena itu, untuk meningkatkan rendemen produk reaksi, perlu dilakukan peningkatan konsentrasi (tekanan parsial) reagen awal atau penurunan konsentrasi (tekanan parsial) produk dengan mengeluarkannya secara bertahap dari sistem reaksi.

Pengaruh tekanan sistem total. Biarkan sistem fase gas kesetimbangan diberikan mA nB, untuk itu nm, yaitu reaksi langsung terjadi dengan bertambahnya jumlah molekul.

Menurut hukum Dalton, hal A = p∙y A Dan hal B = p∙y B, Di mana R- tekanan total dalam sistem; r A, r B– tekanan parsial komponen; kamu A, kamu B– fraksi mol komponen dalam fase gas. Maka persamaan isotermnya mengambil bentuk berikut

Jika pada tekanan hal 1 maka sistem berada dalam keadaan setimbang

.

Meningkatkan tekanan ke p 2 membuat sistem keluar dari keseimbangan. Karena ( hal) 0, maka muncul relasi parameter sistem berikut

Dan ΔG> 0.

Ini adalah kondisi termodinamika untuk terjadinya reaksi sebaliknya. Akibatnya, dengan meningkatnya tekanan, keadaan keseimbangan baru akan muncul sebagai akibat dari transformasi produk yang terbalik DI DALAM ke koneksi aslinya A, mengakibatkan penurunan jumlah total molekul dalam sistem.

Meringkas hasil yang diperoleh, kita dapat menarik kesimpulan sebagai berikut:

Peningkatan tekanan total sistem menggeser kesetimbangan ke arah reaksi yang terjadi dengan penurunan jumlah molekul;

Penurunan tekanan total sistem menyebabkan pergeseran kesetimbangan ke arah reaksi yang terjadi dengan bertambahnya jumlah molekul.

Generalisasi pola pengaruh semua faktor terhadap arah pergeseran keseimbangan mengarah pada aturan yang disebut Prinsip Le Chatelier:

Jika suatu pengaruh luar diberikan pada suatu sistem kesetimbangan (perubahan suhu, konsentrasi atau tekanan parsial komponen, tekanan total), maka ia akan bereaksi sedemikian rupa sehingga pengaruh pengaruh tersebut melemah.

REAKSI FOTOKIMIA

Reaksi kimia yang terjadi di bawah pengaruh radiasi cahaya disebut reaksi fotokimia. Reaksi fotokimia yang paling penting meliputi pembentukan ozon dari molekul oksigen di bawah pengaruh radiasi ultraviolet dari Matahari:

O2 + hO

O + O 2 O 3 + O

Ozon yang dihasilkan HAI 3 menyerap sinar ultraviolet pada kisaran 250-260 mm, yang berdampak buruk pada organisme hidup. Reaksi fotokimia penting lainnya adalah fotosintesis, yang mengakibatkan tanaman menyerap karbon dioksida dari atmosfer dan melepaskan oksigen. Dekomposisi fotokimia perak bromida merupakan inti dari proses fotografi.

Energi foton (kuantum radiasi) ( E) ditentukan oleh relasinya

E = jam,

Di mana H– Konstanta Planck (h 6,626 10 J∙s); – frekuensi radiasi, s. Panjang gelombang cahaya tampak, sinar infra merah dan ultraviolet berkisar antara 100 nm hingga 1000 nm, dan energinya berkisar antara 120 kJ/mol hingga 1200 kJ/mol. Kuantum radiasi diserap oleh satu elektron atom dalam suatu molekul, akibatnya elektron tersebut berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Akibatnya, ada tiga konsekuensi berbeda dari penyerapan energi dalam bentuk radiasi:

1. Sebuah atom atau molekul masuk ke keadaan tereksitasi:

A+hA*

M + jam M *

2. Disosiasi suatu molekul membentuk atom atau Radikal bebas:

AB + h A + B

3. Pendidikan sederhana atau ion molekuler dengan melepas satu elektron:

A + h A + +

AB + jam AB++

Semua proses ini mematuhi hukum berikut.

1. Reaksi fotokimia hanya dapat disebabkan oleh bagian radiasi yang diserap oleh sistem yang bereaksi ( Hukum Grotthus-Dreper).

2. Setiap kuantum radiasi yang diserap menyebabkan transformasi hanya satu molekul ( hukum Einstein-Stark).

3. Banyaknya produk yang terbentuk akibat reaksi fotokimia sebanding dengan intensitas radiasi yang diserap dan waktu penyinaran ( hukum van't Hoff).

Hukum terakhir dapat direpresentasikan dalam bentuk matematika:

m = kt,

Di mana M– massa zat yang diubah secara fotokimia, g; - kekuatan radiasi yang diserap, mis. jumlah energi yang mentransfer fluks cahaya melalui satuan luas per satuan waktu, J/s; T– waktu penyinaran, s.; k– konstanta laju reaksi, g/J.

Saat menguji hukum 1 dan 2 secara eksperimental, terkadang terlihat perbedaan yang nyata. Pertama, jumlah kuanta yang diserap tidak sama dengan jumlah molekul zat yang bereaksi, yaitu. seolah-olah hukum Einstein-Stark dilanggar. Oleh karena itu, untuk mengkarakterisasi proses fotokimia, konsepnya hasil kuantum, yang sama dengan rasio jumlah molekul yang benar-benar bereaksi dengan jumlah kuanta yang diserap. Nilainya bervariasi dalam kisaran dari 10 -3 hingga 10 6 . Pada<1 поглощенная световая энергия частично расходуется на побочные процессы, такие как передача энергии на другие молекулы и самопроизвольное протекание обратного процесса. При >1 sistem bocor reaksi berantai. Dalam hal ini, kuantum radiasi yang diserap menyebabkan munculnya satu partikel aktif, yang kemudian menciptakan rantai transformasi sekunder.

Kedua, beberapa zat tidak menyerap cahaya di daerah tampak atau ultraviolet, namun mampu mengalami transformasi saat disinari. Dengan demikian, hukum Grotthus dilanggar. Ternyata dalam hal ini kuantum radiasi diserap oleh zat khusus - fotosensitizer, yang mentransfer energi yang diserap ke zat lain, yang sebagai hasilnya mengalami transformasi kimia. Akibatnya, pelanggaran terhadap hukum Grotthus hanya terlihat jelas. Misalnya, molekul hidrogen tidak menyerap cahaya dengan panjang gelombang 253,7 nm. Namun, ketika campuran merkuri dan uap hidrogen diiradiasi, proses disosiasi molekul hidrogen menjadi atom diamati:

Hg + hHg *

Hg*+H2Hg+H+H

Proses fotosensitisasi serupa adalah fotosintesis– sintesis karbohidrat dari karbon monoksida (IV) dan air, disertai pelepasan oksigen. Molekul klorofil bertindak sebagai sensitizer untuk reaksi fotokimia ini. Apalagi klorofil B menangkap dan mengumpulkan energi cahaya. Setelah fotoeksitasi, ia mentransfer kelebihan energi ke molekul klorofil A, yang kemudian mengambil bagian langsung dalam proses fotosintesis.

Keseluruhan proses fotosintesis dinyatakan dengan reaksi:

6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O, G 0 = 2861,9 kJ/mol

Fotosintesis adalah proses redoks kompleks yang menggabungkan reaksi fotokimia dengan reaksi enzimatik. Ada dua tahap dalam mekanisme fotosintesis: lampu Dan gelap. Tahap cahaya mencakup reaksi fotokimia aktual dan reaksi enzimatik yang terkait, yang menyelesaikan oksidasi air dan membentuk reduksi nikotinamida adenin dinukleotida fosfat ( NADPH 2) dan asam adenosin trifosfat ( ATP). Dalam tahap gelap NADPH 2 Dan ATP memulihkan molekulnya BERSAMA 2 sebelum CH 2 O dan kemudian monosakarida terbentuk dalam siklus reaksi enzimatik konjugasi yang terjadi tanpa partisipasi kuantum radiasi.

SIFAT-SIFAT SOLUSI

INFORMASI UMUM

Solusi disebut homogen sistem (fase tunggal) yang terdiri dari pelarut, zat terlarut dan produk interaksinya, yang konsentrasinya dapat bervariasi dalam batas yang luas.

Mereka bisa berbentuk padat, cair dan gas. Proses dalam objek biologis dan proses teknologi dalam industri pengolahan pertanian berlangsung dalam larutan air. Oleh karena itu, di masa depan kita akan membatasi diri untuk hanya mempertimbangkan larutan air dari berbagai zat.

Selama pelarutan, terjadi distribusi seragam molekul atau ion zat terlarut dalam volume pelarut. Namun, pelarutan tidak dapat dianggap sebagai proses fisik murni difusi suatu zat ke zat lain. Hal ini dibuktikan dengan pelepasan sejumlah besar panas ketika zat tertentu dilarutkan dalam air ( H2SO4, NaOH dan lain-lain). Telah ditetapkan bahwa interaksi kimia mungkin terjadi antara molekul pelarut dan molekul atau ion zat terlarut, disertai dengan putusnya sebagian dan pembentukan ikatan kimia lainnya. Hal ini mengarah pada pembentukan produk interaksi antara pelarut dan zat terlarut, yang disebut pelarut, dan dalam larutan air – hidrat. Proses interaksi itu sendiri disebut solvasi atau hidrasi.

Saat ini, solusi dianggap sebagai fisik-sistem kimia, menempati posisi perantara dalam sifat-sifatnya antara campuran mekanis dan senyawa kimia, dan memiliki karakteristik hukum fisika dan kimia.

Karakteristik utama dari setiap solusi adalah solusinya konsentrasi. Biasanya, pelarut adalah komponen larutan yang terkandung dalam jumlah yang relatif lebih besar dan menentukan keadaan fasanya. Sifat fisikokimia larutan bergantung pada konsentrasinya. Ada banyak ketergantungan seperti itu. Semuanya diperoleh berdasarkan asumsi solusinya sempurna. Ideal adalah solusi di mana:

1) konsentrasi zat terlarut sangat rendah - fraksi mol kurang dari 0,005;

2) zat terlarut bersifat non-volatil, yaitu molekul-molekulnya tidak dapat meninggalkan fasa cair menuju fasa gas;

3) tidak ada gaya interaksi antar partikel larutan, yaitu panas pencampuran adalah nol ( tidak= 0) dan tidak ada perubahan volume sistem ( V hal = 0);

Sebagian besar proses yang mendasari teknologi kimia adalah reaksi katalitik. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa dengan diperkenalkannya katalis, laju interaksi zat meningkat secara signifikan. Pada saat yang sama, produsen dapat mengurangi biaya atau memperoleh lebih banyak produk reaksi dalam jangka waktu yang sama. Itulah sebabnya banyak perhatian diberikan pada studi katalisis dalam pelatihan para teknolog. Namun fenomena ini juga memegang peranan penting di alam. Dengan demikian, zat khusus mengatur terjadinya reaksi biokimia pada organisme hidup, sehingga mempengaruhi metabolisme.

Konsep katalisis

Inti dari fenomena kimia ini adalah mengatur laju transformasi suatu zat dengan menggunakan reagen khusus yang dapat memperlambat atau mempercepat proses tersebut. Dalam hal ini, mereka berbicara tentang katalisis positif atau negatif. Ada juga fenomena autokatalisis, dimana laju reaksi dipengaruhi oleh salah satu produk antara suatu reaksi kimia. Proses katalitik beragam; mereka berbeda dalam mekanisme, keadaan agregasi senyawa dan arah.

Zat yang memperlambat interaksi kimia disebut inhibitor, dan zat yang mempercepat reaksi katalitik disebut katalis. Keduanya mengubah kecepatan reaksi melalui interaksi perantara yang berulang-ulang dengan satu atau lebih partisipannya. Namun, mereka tidak termasuk dalam produk dan dipulihkan setelah akhir siklus transformasi zat. Oleh karena itu, keikutsertaan katalis tidak tercermin secara stoikiometri dalam persamaan reaksi, tetapi hanya diindikasikan sebagai syarat terjadinya interaksi zat.

Jenis reaksi katalitik

Menurut keadaan agregasi zat-zat yang mengambil bagian dalam reaksi kimia, ada:

• reaksi homogen - reaktan, produk dan katalis berada dalam keadaan agregasi (fase) yang sama, sedangkan molekul zat terdistribusi secara merata ke seluruh volume;
• reaksi katalitik antarmuka - terjadi pada antarmuka cairan yang tidak dapat bercampur, dan peran katalis direduksi menjadi transfer reagen melaluinya;
• reaksi katalitik heterogen - di dalamnya katalis memiliki keadaan agregasi yang berbeda dari reagen, dan reaksi itu sendiri dilakukan pada antarmuka fase;
• reaksi heterogen-homogen - dimulai pada antarmuka dengan katalis, dan berlanjut dalam volume reaksi;
• reaksi mikroheterogen - partikel kecil katalis padat membentuk misel di seluruh volume fase cair.

Ada juga katalisis redoks, yang disertai dengan perubahan bilangan oksidasi katalis ketika berinteraksi dengan reagen. Transformasi seperti ini disebut reaksi oksidasi dan reduksi katalitik. Proses yang paling umum dalam produksi kimia adalah oksidasi sulfur dioksida menjadi trioksida untuk menghasilkan asam sulfat.

Jenis katalis

Menurut keadaan agregasinya, katalis bersifat cair (H 2 SO 4, H 3 PO 4), padat (Pt, V 2 O 5, Al 2 O 3) dan gas (BF 3).

Berdasarkan jenis zatnya, katalis digolongkan menjadi:

• logam - bisa murni, paduan, padat atau diendapkan pada dasar berpori (Fe, Pt, Ni, Cu);
• senyawa logam tipe M m E n - oksida yang paling umum adalah MgO, Al 2 O 3, MoO 3, dll.;
• asam dan basa - digunakan untuk reaksi katalitik asam-basa, dapat berupa asam Lewis, asam Bronsted, dll.;
• kompleks logam - golongan ini juga mencakup garam logam transisi, misalnya PdCl 2, Ni(CO) 4;
• enzim (alias enzim) adalah biokatalis yang mempercepat reaksi yang terjadi pada organisme hidup.

Menurut kekhasan struktur elektroniknya, katalis d, yang memiliki elektron d dan orbital d, dibedakan, serta katalis s,p, yang pusatnya adalah unsur dengan elektron valensi s dan p.

Sifat katalis

Agar dapat digunakan secara efektif, mereka tunduk pada daftar persyaratan yang cukup luas dan bervariasi untuk proses tertentu. Namun yang paling penting adalah dua sifat katalis berikut:

• Kekhususannya terletak pada kemampuan katalis untuk mempengaruhi hanya satu reaksi atau sejumlah transformasi serupa dan tidak mempengaruhi laju reaksi lainnya. Jadi, platina paling sering digunakan dalam reaksi hidrogenasi organik.
• Selektivitas dicirikan oleh kemampuan untuk mempercepat salah satu dari beberapa kemungkinan reaksi paralel, sehingga meningkatkan hasil produk yang paling penting.

Laju reaksi katalitik

Penyebab percepatan interaksi zat adalah terbentuknya kompleks aktif dengan katalis, sehingga menyebabkan penurunan energi aktivasi.

Menurut postulat dasar kinetika kimia, laju reaksi kimia apa pun berbanding lurus dengan produk konsentrasi zat awal, yang dipangkatkan sesuai dengan koefisien stoikiometrinya:

v = k ∙ С А x ∙ С В у ∙ С D z ,

di mana k adalah konstanta laju suatu reaksi kimia, yang secara numerik sama dengan laju reaksi yang sama, asalkan konsentrasi senyawa awal adalah 1 mol/l.

Menurut persamaan Arrhenius, k bergantung pada energi aktivasi:

k = A ∙ exp^(-EA / RT).

Pola yang ditunjukkan juga berlaku untuk reaksi katalitik. Hal ini juga dibuktikan dengan persamaan rasio konstanta laju:

k K / k = A K /A ∙ exp^((EA -E AK)/RT),

dimana variabel dengan indeks K mengacu pada reaksi katalitik.

Tahapan reaksi katalitik

Untuk reaksi katalitik homogen, dua tahap utama sudah cukup:

1. Pembentukan kompleks teraktivasi: A + K ―> AK.
2. Interaksi kompleks teraktivasi dengan zat awal lainnya: AK + B ―> C + K.

Secara umum persamaan berbentuk A + B ―> C ditulis.

Mekanisme reaksi katalitik heterogen sangatlah kompleks. Enam tahap berikut dibedakan:

1. Membawa senyawa awal ke permukaan katalis.
2. Adsorpsi reagen awal oleh permukaan katalis dan pembentukan kompleks antara: A + B + K ―> AVK.
3. Aktivasi kompleks yang dihasilkan: ΑВК ―> ΑВК * .
4. Penguraian senyawa kompleks, menghasilkan produk yang diadsorpsi oleh katalis: ΑВК * ―> CDK.
5. Desorpsi produk yang dihasilkan oleh permukaan katalis: CDK ―> C + D + K.
6. Penghapusan produk dari katalis.

Contoh reaksi katalitik

Katalis digunakan tidak hanya dalam industri kimia. Setiap orang dalam kehidupan sehari-harinya menghadapi berbagai reaksi katalitik. Misalnya saja penggunaan hidrogen peroksida dalam pengobatan luka. Hidrogen peroksida, ketika berinteraksi dengan darah, mulai terurai di bawah pengaruh:

2H 2 O 2 ―> O 2 + 2H 2 O.

Pada mobil modern, dilengkapi dengan ruang katalitik khusus yang mendorong penguraian zat gas berbahaya. Misalnya, platina atau rhodium membantu mengurangi pencemaran lingkungan akibat nitrogen oksida, yang terurai menjadi O 2 dan N 2 yang tidak berbahaya.

Beberapa pasta gigi mengandung enzim yang memulai penguraian plak dan sisa makanan.

Pada awal abad ke-20, sejumlah besar enzim menimbulkan pertanyaan tentang tata nama dan klasifikasi enzim bagi para peneliti. Ciri khas enzim pada awal abad ke-20 adalah akhiran “aza”, yang digunakan dengan menambahkannya terlebih dahulu pada nama substrat (amilum - pati - amilase), dan kemudian pada nama reaksi ( dehidrogenasi - dehidrogenase). Komisi Enzim (CI), yang dibentuk oleh Persatuan Ahli Kimia dan Biokimia Internasional, mengembangkan prinsip dasar klasifikasi dan tata nama enzim, yang diadopsi pada tahun 1961. Klasifikasi tersebut didasarkan pada jenis reaksi yang dikatalisis oleh enzim. Semua enzim atas dasar ini dibagi menjadi 6 kelas yang masing-masing memiliki beberapa subkelas.

1.Oksidoreduktase - enzim yang mengkatalisis reaksi reduksi atau oksidasi. Misalnya alkohol dehidrogenase, enzim yang mengoksidasi etil alkohol menjadi asetaldehida. Enzim kedua yang dikenal sebagai aldehida dehidrogenase kemudian mengubah asetaldehida menjadi asetil KoA. Oksidoreduktase sering kali memerlukan partisipasi kofaktor yang bertindak sebagai akseptor hidrogen perantara; dalam contoh di bawah, ini adalah NAD+.

Oksidase – sejenis oksidoreduktase. Ini adalah nama yang diberikan untuk enzim yang menggunakan oksigen sebagai akseptor hidrogen terakhir. Contohnya adalah glukosa oksidase, yang mengoksidasi glukosa menjadi asam glukonat . FAD berfungsi sebagai akseptor hidrogen perantara.

2.Transfer - enzim yang mentransfer gugus fungsi dari molekul donor ke molekul akseptor. Contohnya adalah metiltransferase, yang mentransfer gugus metil dari S-adenosylmethionine ke beberapa akseptor. Di bawah ini adalah reaksi yang dikatalisis oleh katekol-O-metiltransferase, suatu enzim yang terlibat dalam metabolisme neurotransmitter epinefrin dan norepinefrin. .

Contoh transferase lain yang sangat penting adalah enzim yang mengkatalisis transfer gugus amino - transaminase.

Transaminase menggunakan asam amino sebagai donor gugus amino, yang ditransfer ke asam α-keto, mengubah asam amino donor menjadi asam α-keto dan akseptor asam keto menjadi asam amino. Ini digunakan untuk mengubah asam amino tertentu dan memungkinkan asam amino memasuki jalur metabolisme karbohidrat atau lipid.

Transferase yang sering disebutkan dalam biokimia adalah kinase yang mengkatalisis transfer fosfat dari molekul ATP berenergi tinggi ke substrat. Ada banyak kinase yang memainkan peran penting dalam metabolisme sel.

3. Hidrolase-enzim yang mengkatalisis reaksi hidrolisis biologis. Mereka memutus ikatan kovalen. memasang elemen air pada lokasi pecahnya. Lipase, fosfatase, asetilkolinesterase, dan protease adalah contoh enzim hidrolitik.

4. Liase (desmolase)– enzim yang mengkatalisis penguraian ikatan C-C, C-O dan C-N secara non-hidrolitik dengan pembentukan ikatan rangkap. Contohnya adalah enzim DOPA dekarboksilase, yang merupakan enzim kunci dalam sintesis amina biogenik adrenalin dan norepinefrin.

5. Isomerase- enzim yang mengkatalisis penataan ulang intramolekul. Dalam hal ini, terjadi interkonversi isomer geometri optik dan posisi. Epimerase dan racemases adalah contoh enzim di kelas ini.

6. Ligase mengkatalisis pembentukan ikatan C-O, C-S, C-N, atau C-C menggunakan energi hidrolisis ATP. Fosfat mungkin terikat secara kovalen dengan produk reaksi atau tidak.

Komisi Enzim juga mengusulkan prinsip tata nama enzim. Disarankan untuk menggunakan tata nama yang sistematis dan operasional. Tata nama sistematis didasarkan pada prinsip yang sama seperti klasifikasi - jenis reaksi yang dikatalisis. Sekilas namanya mungkin rumit, tetapi dari namanya menjadi jelas apa fungsi enzim tersebut. Nama terdiri dari dua bagian: nama peserta reaksi (tergantung pada kelasnya, ini dapat berupa substrat, akseptor perantara) dan jenis reaksi yang dikatalisis dengan akhiran “ase”.

Setiap enzim menerima nomor kode enzim tertentu, yang mencerminkan posisinya dalam klasifikasi: digit pertama mencirikan kelas enzim, digit kedua – subkelas, dan digit ketiga – sub-subkelas. Setiap subkelas adalah daftar enzim. Nomor seri enzim dalam daftar ini adalah digit keempat kodenya. Gambar 1-1 menunjukkan kode kreatin fosfokinase - KF.2.7.3.2. Enzim ini mengkatalisis reaksi fosforilasi kreatin. Nama sistematis enzim ATP adalah kreatin fosfotransferase. Nama kerja enzim ini adalah kreatin kinase atau kreatin fosfokinase

R adalah 2-1. Kode kreatin fosfokinase dan tempat enzim dalam klasifikasi enzim

(Lihat juga KIMIA DAN METODE PENGOLAHAN MINYAK). Mekanisme kerja ion karbenium, yang berperan sebagai katalis dalam proses ini, telah ditetapkan. Dengan demikian, mereka berpartisipasi dalam sejumlah reaksi, termasuk pembentukan molekul kecil melalui pembelahan molekul besar, kombinasi molekul (olefin menjadi olefin atau olefin menjadi isoparafin), penataan ulang struktural melalui isomerisasi, dan pembentukan parafin dan aromatik. hidrokarbon melalui transfer hidrogen.

Salah satu aplikasi terbaru katalisis asam dalam industri adalah produksi bahan bakar bertimbal dengan menambahkan alkohol ke isobutilena atau isoamilena. Menambahkan senyawa yang mengandung oksigen ke bensin mengurangi konsentrasi karbon monoksida dalam gas buang. Metil-

menggosok -butil eter (MTBE) dengan angka pencampuran oktan 109 juga memungkinkan diperolehnya bahan bakar beroktan tinggi yang diperlukan untuk mengoperasikan mesin mobil dengan rasio kompresi tinggi, tanpa memasukkan timbal tetraetil ke dalam bensin. Produksi bahan bakar dengan angka oktan 102 dan 111 juga telah diselenggarakan.Katalisis dasar. Aktivitas katalis ditentukan oleh sifat dasarnya. Contoh katalis yang sudah lama ada dan terkenal adalah natrium hidroksida, yang digunakan untuk menghidrolisis atau menyabunkan lemak untuk membuat sabun, dan salah satu contoh terkini adalah katalis yang digunakan dalam produksi plastik dan busa poliuretan. Uretan terbentuk melalui reaksi alkohol dengan isosianat, dan reaksi ini dipercepat dengan adanya basaamina yang jelas. Selama reaksi, basa menempel pada atom karbon dalam molekul isosianat, akibatnya muncul muatan negatif pada atom nitrogen dan aktivitasnya terhadap alkohol meningkat. Triethylenediamine adalah katalis yang sangat efektif. Plastik poliuretan diproduksi dengan mereaksikan diisosianat dengan poliol (polialkohol). Ketika isosianat bereaksi dengan air, uretan yang terbentuk sebelumnya terurai dan melepaskan CO2 . Ketika campuran polialkohol dan air berinteraksi dengan diisosianat, busa poliuretan yang dihasilkan berbusa sebagai gas. CO2. Katalis akting ganda. Katalis ini mempercepat dua jenis reaksi dan memberikan hasil yang lebih baik daripada melewatkan reaktan secara seri melalui dua reaktor, yang masing-masing hanya berisi satu jenis katalis. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa situs aktif katalis kerja ganda sangat dekat satu sama lain, dan produk antara yang terbentuk di salah satu katalis tersebut segera diubah menjadi produk akhir di katalis lainnya.

Hasil yang baik diperoleh dengan menggabungkan katalis yang mengaktifkan hidrogen dengan katalis yang mendorong isomerisasi hidrokarbon. Aktivasi hidrogen dilakukan oleh beberapa logam, dan isomerisasi hidrokarbon dilakukan oleh asam. Katalis kerja ganda efektif yang digunakan dalam penyulingan minyak bumi untuk mengubah nafta menjadi bensin adalah platina halus yang didukung oleh alumina asam. Konversi konstituen nafta seperti metilsiklopentana (MCP) menjadi benzena meningkatkan angka oktan bensin. Pertama, MCP didehidrogenasi pada bagian platina katalis menjadi olefin dengan kerangka karbon yang sama; olefin kemudian berpindah ke bagian asam katalis, di mana ia terisomerisasi menjadi sikloheksena. Yang terakhir berpindah ke bagian platinum dan terdehidrogenasi menjadi benzena dan hidrogen.

Katalis aksi ganda secara signifikan mempercepat reformasi minyak. Mereka digunakan untuk mengisomerisasi parafin normal menjadi isoparafin. Hidrokarbon murni, yang mendidih pada suhu yang sama dengan fraksi bensin, berharga karena memiliki angka oktan lebih tinggi dibandingkan hidrokarbon biasa. Apalagi transformasinya

N -butana menjadi isobutana disertai dengan dehidrogenasi, memfasilitasi produksi MTBE.Polimerisasi stereospesifik. Sebuah tonggak penting dalam sejarah katalisis terjadi penemuan polimerisasi katalitikA-olefin dengan formasi stereoregular x polimer. Untuk katalis stereospesifik polimerisasi ditemukan oleh K. Ziegler ketika dia mencoba menjelaskan sifat tidak biasa dari polimer yang diperolehnya. Ahli kimia lain, J. Natta, mengemukakan bahwa keunikan polimer Ziegler ditentukan oleh stereoregularitasnya. Eksperimen difraksi sinar-X menunjukkan bahwa polimer yang dibuat dari propilena dengan adanya katalis Ziegler memiliki kristalin tinggi dan memang memiliki struktur stereoregular. Untuk menggambarkan struktur yang tertata seperti itu, Natta memperkenalkan istilah “ isotaktik " dan "sindiotaktik". Dalam hal tidak ada keteraturan, istilah “atactic” digunakan:Reaksi stereospesifik terjadi pada permukaan katalis padat yang mengandung gugus logam transisi IVA - VIII (seperti Ti, V, Cr, Zr ), berada dalam keadaan teroksidasi tidak sempurna, dan senyawa apa pun yang mengandung karbon atau hidrogen yang terikat pada logam dari gugusnya AKU AKU AKU AKU . Contoh klasik dari katalis tersebut adalah endapan yang terbentuk ketika TiCl 4 dan Al(C 2 H 5 ) 3 dalam heptana, dimana titanium tereduksi ke keadaan trivalen. Inisangat aktifSistem ini mengkatalisis polimerisasi propilena pada suhu dan tekanan normal.Oksidasi katalitik. Penggunaan katalis untuk mengontrol proses kimia oksidasi sangat penting secara ilmiah dan praktis. Dalam beberapa kasus, oksidasi harus selesai, misalnya saat menetralkan kontaminan CO dan hidrokarbon dalam gas buang mobil.Namun, oksidasi seringkali perlu dilakukan secara tidak sempurna, misalnya, dalam banyak proses industri yang banyak digunakan untuk mengubah hidrokarbon menjadi produk antara berharga yang mengandung gugus fungsi seperti -CHO, -COOH, -C-CO, -CN. Dalam hal ini, katalis homogen dan heterogen digunakan. Contoh katalis homogen adalah kompleks logam transisi, yang digunakan untuk oksidasipasangan -xilena menjadi asam tereftalat, esternya berfungsi sebagai dasar produksi serat poliester.Katalis untuk oksidasi heterogen. Katalis ini biasanya berupa oksida padat kompleks. Oksidasi katalitik terjadi dalam dua tahap. Pertama, oksigen dalam oksida ditangkap oleh molekul hidrokarbon yang teradsorpsi pada permukaan oksida. Dalam hal ini, hidrokarbon teroksidasi, dan oksida tereduksi. Oksida tereduksi bereaksi dengan oksigen dan kembali ke keadaan semula. Menggunakan katalis vanadium, anhidrida ftalat diperoleh dengan oksidasi naftalena atau butana yang tidak sempurna.Produksi etilen dengan dehidrodimerisasi metana. Sintesis etilen melalui dehidrodimerisasi mengubah gas alam menjadi hidrokarbon yang lebih mudah diangkut. Reaksi 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O dilakukan pada 850 ° C menggunakan berbagai katalis; hasil terbaik diperoleh dengan katalis Li-MgO . Agaknya reaksi tersebut berlangsung melalui pembentukan radikal metil melalui abstraksi atom hidrogen dari molekul metana. Eliminasi dilakukan dengan oksigen yang tereduksi tidak sempurna, misalnya O 2 2- . Radikal metil dalam fase gas bergabung kembali untuk membentuk molekul etana dan, selama dehidrogenasi berikutnya, diubah menjadi etilen. Contoh lain dari oksidasi tidak sempurna adalah konversi metanol menjadi formaldehida dengan adanya katalis perak atau besi-molibdenum.Zeolit. Zeolit ​​​​merupakan kelas khusus katalis heterogen. Ini adalah aluminosilikat dengan struktur sarang lebah yang teratur, ukuran selnya sebanding dengan ukuran banyak molekul organik. Mereka juga disebut saringan molekuler. Yang paling menarik adalah zeolit, pori-porinya dibentuk oleh cincin yang terdiri dari 8-12 ion oksigen (Gbr. 2). Terkadang pori-porinya tumpang tindih, seperti dalam kasus zeolit ​​​​ZSM-5 (Gbr. 3), yang digunakan untuk konversi metanol yang sangat spesifik menjadi hidrokarbon fraksi bensin. Bensin mengandung sejumlah besar hidrokarbon aromatik sehingga memiliki angka oktan yang tinggi. Di Selandia Baru, misalnya, sepertiga dari seluruh bensin yang dikonsumsi diproduksi menggunakan teknologi ini. Metanol dihasilkan dari metana impor. Katalis yang membentuk kelompok Y-zeolit ​​​​secara signifikan meningkatkan efisiensi perengkahan katalitik terutama karena sifat asamnya yang tidak biasa. Mengganti aluminosilikat dengan zeolit ​​​​dapat meningkatkan hasil bensin lebih dari 20%.

Selain itu, zeolit ​​​​memiliki selektivitas mengenai ukuran molekul yang bereaksi. Selektivitasnya ditentukan oleh ukuran pori-pori yang dapat dilewati oleh molekul-molekul dengan ukuran dan bentuk tertentu. Hal ini berlaku untuk bahan awal dan produk reaksi. Misalnya karena pembatasan sterik

pasangan -xilena lebih mudah terbentuk dibandingkan xilena yang lebih besarorto- Dan meta -isomer. Yang terakhir menemukan diri mereka “terkunci” di pori-pori zeolit ​​​​(Gbr. 4).

Penggunaan zeolit ​​​​telah merevolusi beberapa teknologi industri - dewaxing minyak gas dan oli mesin, memperoleh zat antara kimia untuk produksi plastik melalui alkilasi senyawa aromatik, isomerisasi xilena, disproporsionasi toluena, dan perengkahan katalitik minyak. Zeolit ​​​​sangat efektif di sini

ZSM-5. Katalis dan perlindungan lingkungan. Penggunaan katalis untuk mengurangi polusi udara dimulai pada akhir tahun 19 40an. Pada tahun 1952, A. Hagen-Smith menemukan bahwa hidrokarbon dan nitrogen oksida yang terkandung dalam gas buang bereaksi dalam cahaya membentuk oksidan (khususnya ozon), yang mengiritasi mata dan memberikan efek yang tidak diinginkan lainnya. Sekitar waktu yang sama, Y. Khoudri mengembangkan metode pemurnian katalitik gas buang melalui oksidasi BERSAMA dan hidrokarbon hingga CO2 dan H2 A. Pada tahun 1970, Deklarasi Udara Bersih dirumuskan (disempurnakan pada tahun 1977, diperluas pada tahun 1990), yang menyatakan bahwa semua mobil baru, mulai model tahun 1975, harus dilengkapi dengan konverter katalitik. Standar komposisi gas buang telah ditetapkan. Karena senyawa timbal ditambahkan ke katalis racun bensin, program penghentian penggunaan secara bertahap telah diterapkan. Perhatian juga diberikan pada perlunya mengurangi kandungan nitrogen oksida.

Katalis telah dibuat khusus untuk penetral mobil, di mana komponen aktif diterapkan pada substrat keramik dengan struktur sarang lebah, melalui sel-sel yang dilalui gas buang. Substrat dilapisi dengan lapisan tipis oksida logam, misalnya.

Al2O3 , di mana katalis diterapkan - platinum, paladium atau rhodium. Kandungan nitrogen oksida yang terbentuk selama pembakaran bahan bakar alami di pembangkit listrik tenaga panas dapat dikurangi dengan menambahkan sedikit amonia ke dalam gas buang dan melewatkannya melalui katalis titanium vanadium.Enzim. Enzim adalah katalis alami yang mengatur proses biokimia dalam sel hidup. Mereka berpartisipasi dalam proses pertukaran energi, pemecahan nutrisi, dan reaksi biosintesis. Tanpa mereka, banyak reaksi organik yang kompleks tidak dapat terjadi. Enzim berfungsi pada suhu dan tekanan biasa, memiliki selektivitas yang sangat tinggi, dan mampu meningkatkan laju reaksi hingga delapan kali lipat. Terlepas dari kelebihan ini, hanya sekitar. 20 dari 15.000 enzim yang diketahui digunakan dalam skala besar.

Manusia telah menggunakan enzim selama ribuan tahun untuk memanggang roti, memproduksi minuman beralkohol, keju, dan cuka. Sekarang enzim juga digunakan dalam industri: dalam pengolahan gula, dalam produksi antibiotik sintetik, asam amino dan protein. Enzim proteolitik yang mempercepat proses hidrolisis ditambahkan ke deterjen.

Dengan bantuan bakteri

Clostridium acetobutylicum H. Weizmann melakukan konversi enzimatik pati menjadi aseton dan butil alkohol. Metode produksi aseton ini banyak digunakan di Inggris selama Perang Dunia Pertama, dan selama Perang Dunia Kedua digunakan untuk memproduksi karet butadiena di Uni Soviet.

Peran yang sangat penting dimainkan oleh penggunaan enzim yang dihasilkan oleh mikroorganisme untuk sintesis penisilin, serta streptomisin dan vitamin.

B12. Etil alkohol, yang dihasilkan melalui proses enzimatik, banyak digunakan sebagai bahan bakar mobil. Di Brasil, lebih dari sepertiga dari sekitar 10 juta mobil menggunakan 96% etil alkohol yang berasal dari tebu, sedangkan sisanya menggunakan campuran bensin dan etil alkohol (20%). Teknologi produksi bahan bakar berupa campuran bensin dan alkohol telah berkembang dengan baik di Amerika Serikat. Pada tahun 1987, sekitar. 4 miliar liter alkohol, dimana sekitar 3,2 miliar liter digunakan sebagai bahan bakar. Yang disebut juga menemukan berbagai aplikasi. enzim yang diimobilisasi. Enzim-enzim ini terikat pada bahan pendukung padat, seperti gel silika, yang mana reagen dilewatkan. Keuntungan metode ini adalah memastikan kontak substrat dengan enzim yang efisien, pemisahan produk dan pengawetan enzim. Salah satu contoh penggunaan enzim amobilisasi dalam industri adalah isomerisasi D -glukosa menjadi fruktosa. ASPEK TEKNOLOGI Teknologi modern tidak dapat dibayangkan tanpa penggunaan katalis. Reaksi katalitik dapat terjadi pada suhu hingga 650° C dan tekanan 100 atm atau lebih. Hal ini memaksa solusi baru untuk masalah yang terkait dengan kontak antara zat gas dan padat dan dengan transfer partikel katalis. Agar proses menjadi efektif, pemodelannya harus memperhatikan aspek kinetik, termodinamika, dan hidrodinamik. Pemodelan komputer banyak digunakan di sini, serta instrumen dan metode baru untuk memantau proses teknologi.

Pada tahun 1960, kemajuan signifikan dicapai dalam produksi amonia. Penggunaan katalis yang lebih aktif memungkinkan untuk menurunkan suhu produksi hidrogen selama penguraian uap air, yang memungkinkan untuk menurunkan tekanan dan, oleh karena itu, mengurangi biaya produksi, misalnya, melalui penggunaan kompresor sentrifugal yang lebih murah. . Akibatnya, harga amonia turun lebih dari setengahnya, terjadi peningkatan produksi yang sangat besar, dan sehubungan dengan ini, peningkatan produksi pangan, karena amonia adalah pupuk yang berharga.

Metode. Penelitian di bidang katalisis dilakukan dengan menggunakan metode tradisional dan khusus. Pelacak radioaktif, sinar-X, spektroskopi inframerah dan Raman (Raman), metode mikroskop elektron digunakan; Pengukuran kinetik dilakukan, pengaruh metode pembuatan katalis terhadap aktivitasnya dipelajari. Yang sangat penting adalah penentuan luas permukaan katalis menggunakan metode Brunauer-Emmett-Teller (metode BET), berdasarkan pengukuran adsorpsi fisik nitrogen pada tekanan yang berbeda. Untuk melakukan ini, tentukan jumlah nitrogen yang diperlukan untuk membentuk lapisan tunggal pada permukaan katalis, dan mengetahui diameter molekul nomor 2 , hitung luas totalnya. Selain menentukan luas permukaan total, kemisorpsi berbagai molekul juga dilakukan, yang memungkinkan untuk memperkirakan jumlah pusat aktif dan memperoleh informasi tentang sifat-sifatnya.

Para peneliti memiliki berbagai metode untuk mempelajari struktur permukaan katalis pada tingkat atom. Metode ini memungkinkan Anda memperoleh informasi unik

EXAFS . Di antara metode spektroskopi, spektroskopi fotoelektron UV, sinar-X dan Auger semakin banyak digunakan. Spektrometri massa ion sekunder dan spektroskopi hamburan ion sangat menarik. Pengukuran NMR digunakan untuk mempelajari sifat kompleks katalitik. Mikroskop terowongan pemindaian memungkinkan Anda melihat susunan atom pada permukaan katalis. PROSPEK Skala proses katalitik dalam industri meningkat setiap tahunnya. Katalis semakin banyak digunakan untuk menetralisir zat yang mencemari lingkungan. Peran katalis dalam produksi hidrokarbon dan bahan bakar sintetis yang mengandung oksigen dari gas dan batubara semakin meningkat. Penciptaan sel bahan bakar untuk konversi energi bahan bakar menjadi energi listrik secara ekonomis tampaknya sangat menjanjikan.

Konsep baru katalisis akan memungkinkan diperolehnya bahan polimer dan produk lain dengan banyak sifat berharga, meningkatkan metode memperoleh energi, dan meningkatkan produksi pangan, khususnya dengan mensintesis protein dari alkana dan amonia dengan bantuan mikroorganisme. Dimungkinkan untuk mengembangkan metode rekayasa genetika untuk memproduksi enzim dan senyawa organologam yang mendekati katalis biologis alami dalam aktivitas katalitik dan selektivitasnya.

LITERATUR Gerbang B.K. Kimia proses katalitik . M., 1981
Boreskov G.K. Katalisis. Pertanyaan teori dan praktek . Novosibirsk, 1987
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V.Teori umum baru tentang katalisis . L., 1991
Tokabe K. Katalis dan proses katalitik . M., 1993

Perkenalan

1. Ketentuan umum dan prinsip katalisis

2. Katalisis homogen

3. Katalisis asam dan basa

4. Reaksi katalitik homogen yang dikatalisis oleh senyawa kompleks

5. Katalisis enzim

6. Katalisis heterogen

Kesimpulan

Daftar sumber yang digunakan

Perkenalan

Katalisis adalah fenomena perubahan laju reaksi dengan adanya katalis. Reaksi yang terjadi dengan partisipasi katalis disebut katalitik. Zat yang meningkatkan laju reaksi kimia, namun tetap tidak berubah sebagai akibat dari keseluruhan reaksi, disebut katalis.

Ada banyak jenis katalis yang berbeda dan mekanisme kerjanya yang berbeda. Katalis melewati siklus yang pertama kali terikat, kemudian diregenerasi, diikat lagi, dan seterusnya berkali-kali. Katalis memungkinkan suatu reaksi berlangsung melalui jalur yang berbeda, dan dengan laju yang lebih cepat dibandingkan jika tidak ada katalis. Kecepatannya dapat ditingkatkan dengan menurunkan energi aktivasi, meningkatkan faktor pra-eksponensial, atau keduanya.

Katalis secara bersamaan mempercepat reaksi maju dan mundur, sehingga konstanta kesetimbangan reaksi total tetap tidak berubah. Jika tidak demikian, maka dimungkinkan untuk membuat mesin gerak abadi menggunakan katalis untuk meregenerasi materi

1. Ketentuan umum dan prinsip katalisis

Katalis dibagi menjadi homogen dan heterogen. Katalis homogen berada dalam fasa yang sama dengan zat yang bereaksi, sedangkan katalis heterogen membentuk fasa bebas, dipisahkan oleh antarmuka dari fasa tempat zat yang bereaksi berada. Katalis homogen yang khas adalah asam dan basa. Logam, oksida dan sulfidanya digunakan sebagai katalis heterogen.

Reaksi serupa dapat terjadi dengan katalis homogen dan heterogen. Jadi, bersama dengan larutan asam, digunakan Al 2 O 3 padat, TiO 2, ThO 2, aluminosilikat, dan zeolit ​​​​dengan sifat asam. Katalis heterogen dengan sifat dasar: CaO, BaO, MgO.

Katalis heterogen, pada umumnya, memiliki permukaan yang sangat berkembang, sehingga katalis tersebut didistribusikan pada pembawa inert (gel silika, aluminium oksida, karbon aktif, dll.).

Untuk setiap jenis reaksi, hanya katalis tertentu yang efektif. Selain katalis asam basa yang telah disebutkan, terdapat katalis reduksi oksidasi; mereka dicirikan oleh adanya logam transisi atau senyawanya (Co +3, V 2 O 5 +, MoO 3). Dalam hal ini, katalisis dilakukan dengan mengubah bilangan oksidasi logam transisi.

Banyak reaksi dilakukan dengan menggunakan katalis yang bekerja melalui koordinasi reaktan pada atom atau ion logam transisi (Ti, Rh, Ni). Jenis katalisis ini disebut katalisis koordinasi.

Jika katalis mempunyai sifat kiral, maka produk yang aktif secara optik diperoleh dari substrat yang tidak aktif secara optik.

Dalam ilmu pengetahuan dan teknologi modern, sistem beberapa katalis sering digunakan, yang masing-masing mempercepat tahapan reaksi yang berbeda. Katalis juga dapat meningkatkan laju satu tahap siklus katalitik yang dilakukan oleh katalis lain. Di sini, terjadi “katalisis katalisis”, atau katalisis tingkat kedua.

Dalam reaksi biokimia, enzim berperan sebagai katalis.

Katalis harus dibedakan dari inisiator. Misalnya, peroksida terurai menjadi radikal bebas, yang dapat memulai reaksi berantai radikal. Inisiator dikonsumsi selama reaksi, sehingga tidak dapat dianggap sebagai katalis.

Inhibitor terkadang secara keliru dianggap sebagai katalis negatif. Tetapi penghambat, misalnya reaksi berantai radikal, bereaksi dengan radikal bebas dan, tidak seperti katalis, tidak disimpan. Inhibitor lain (racun katalitik) mengikat katalis dan menonaktifkannya; di sini terjadi penekanan katalisis, bukan katalisis negatif. Katalisis negatif pada prinsipnya tidak mungkin dilakukan: hal ini akan memberikan jalur reaksi yang lebih lambat, namun reaksi, secara alami, akan mengikuti jalur yang lebih cepat, dalam hal ini, jalur non-katalisis.

Katalis mungkin merupakan salah satu produk reaksi. Dalam hal ini, reaksinya disebut autokatalitik, dan fenomena itu sendiri disebut autokatalisis. Misalnya pada saat oksidasi Fe 2+ dengan Mn0 4

5Fe 2+ + Mn0 4 - + 8H+ = 5Fe 3+ + Mn 2+ +4H 2 0

ion Mn 2+ yang dihasilkan mengkatalisis reaksi.

Reaksi katalitik sangat umum terjadi di alam. Yang paling mengejutkan adalah reaksi dengan enzim, yang mengkatalisis banyak reaksi pada organisme hidup. Katalis banyak digunakan dalam industri. Produksi asam nitrat dan sulfat, amonia, produksi karet sintetis, dll. tidak mungkin tanpa reaksi katalitik. Katalis digunakan dalam produksi bahan obat: fenacetin, guaiacol, turunan halogen dari senyawa aromatik, dll. Mn(IV) oksida, Ni, Co, Fe, AlCl 3, TeC1 3 digunakan sebagai katalis.

Ada katalisis homogen dan heterogen, tetapi prinsip utamanya adalah sebagai berikut:

1. Katalis secara aktif berpartisipasi dalam tindakan dasar reaksi, membentuk senyawa antara dengan salah satu peserta reaksi, atau kompleks teraktivasi dengan semua zat yang bereaksi. Setelah setiap tindakan elementer, ia diregenerasi dan dapat berinteraksi dengan molekul baru dari zat yang bereaksi.

2. Laju reaksi katalitik sebanding dengan jumlah katalis.

3. Katalis mempunyai selektivitas kerja. Ia dapat mengubah laju suatu reaksi dan tidak mempengaruhi laju reaksi lainnya.

4. Katalis memungkinkan reaksi berlangsung melalui jalur yang berbeda, dan dengan laju yang lebih cepat dibandingkan tanpa adanya katalis.

Kecepatannya dapat ditingkatkan dengan mengurangi energi aktivasi, meningkatkan faktor pra-eksponensial, atau keduanya. Misalnya, dekomposisi termal asetaldehida CH 3 CHO CH 4 + CO dikatalisis oleh uap yodium, yang menyebabkan penurunan energi aktivasi sebesar ~55 kJ/mol. Penurunan ini menyebabkan konstanta laju meningkat sekitar 10.000 kali lipat.

5. Katalis tidak mempengaruhi posisi kesetimbangan termodinamika. Ini mengubah laju reaksi maju dan mundur pada tingkat yang sama.

6. Dengan menambahkan zat tertentu yang disebut promotor, aktivitas katalis meningkat; menambahkan inhibitor mengurangi laju reaksi.

2. Katalisis homogen

Dalam katalisis homogen, katalisnya adalah molekul atau ion dalam larutan homogen. Dalam kasus katalisis homogen, katalis dan semua reaktan membentuk satu fase yang sama.

Asumsi utama teori katalisis homogen adalah gagasan bahwa selama reaksi, senyawa antara katalis dengan reaktan yang tidak stabil terbentuk, yang kemudian terurai dengan regenerasi katalis:

A + B + K = (A-B-K)* D + K

Kecepatan reaksi ini

v=k NC AC BC K

sebanding dengan konsentrasi katalis, dan konstanta laju mematuhi persamaan Arrhenius. Reaksi ini dapat terjadi dalam dua tahap:

katalisis homogen asam enzimatis heterogen

Dalam hal ini, ada dua kasus yang mungkin terjadi. Pada tahap pertama, laju penguraian kompleks menjadi katalis dan produk awal jauh lebih tinggi daripada laju tahap kedua, di mana produk akhir terbentuk. Oleh karena itu, konsentrasi kompleks yang disebut kompleks Arrhenius pada jenis katalisis ini rendah. Dalam kasus kedua, laju penguraian kompleks sebanding dengan laju tahap kedua. Konsentrasi kompleks antara cukup signifikan dan tidak bergerak. Kompleks jenis ini disebut kompleks van't Hoff.

Kasus kedua, sebagai kasus yang lebih umum, akan dipertimbangkan secara lebih rinci. Karena senyawa antara AA berada dalam kesetimbangan dengan zat awal, laju reaksi maju (v 1) dan reaksi balik (v 2) (1) harus sama. Setelah menyusun persamaan kinetiknya, kita memperoleh:

Di mana (Dengan Ke"-- Dengan AK") -- konsentrasi katalis yang tidak bereaksi; Dengan A,Dengan AK."-- konsentrasi kesetimbangan masing-masing zat A dan zat antara AA.

Dari (2) kita menemukan konsentrasi senyawa antara:

Kecepatan total seluruh proses (v) ditentukan oleh kecepatan tahap paling lambat, dalam hal ini detik. Kemudian

Substitusikan konsentrasi senyawa antara (3) ke (4), kita peroleh:

Persamaan (5) menunjukkan kemungkinan adanya dua rezim pembatas:

Dalam kedua kasus tersebut, laju reaksi berbanding lurus dengan konsentrasi katalis, namun orde reaksi terhadap bahan awal berbeda. Dalam kasus pertama itu sama dengan dua, dan yang kedua - satu. Di luar rezim pembatas, orde reaksi akan bersifat pecahan.

Contoh katalisis homogen adalah reaksi dekomposisi termal asetaldehida CH 3 SON CH 4 + CO, yang dikatalisis oleh uap yodium. Dengan tidak adanya uap yodium E A=191,0 kJ/mol, dengan kehadirannya E A= 136,0 kJ/mol. Konstanta laju meningkat 10.000 kali lipat. Hal ini terjadi karena reaksi terjadi dalam dua tahap:

CH 3 ANAK + I 2 = CH 3 I + HI + CO

CH 3 I + HI = CH 4 + I 2

Energi aktivasi setiap tahap lebih kecil dari energi aktivasi reaksi non-katalitik.

Katalisis homogen mencakup banyak reaksi asam-basa, reaksi kompleksasi, reaksi redoks, berbagai reaksi hidrogenasi, reaksi sulfida, dll.

3. Katalisis asam dan basa

Asam dan basa dalam banyak reaksi menjalankan fungsi katalis, yaitu ketika berpartisipasi dalam reaksi, mereka sendiri tidak dikonsumsi (reaksi hidrolisis, alkilasi, esterifikasi, dll. Ada tiga jenis katalisis asam-basa:

1) katalisis asam (basa) spesifik, di mana ion H + atau OH - masing-masing berfungsi sebagai katalis;

2) katalisis asam (basa) umum, yang dilakukan oleh setiap donor proton (akseptor);

3) katalisis elektrofilik (nukleofilik), dilakukan oleh asam dan basa Lewis.

Konstanta laju orde pertama k karena reaksi dalam larutan buffer dapat berupa fungsi linier dari [H + ], [OH - ], [HA], [A - ], yaitu:

k = k 0 + k 1 [H+] + k 2 [OH - ] + k 3 [HA] + k 4 [A - ]

Dalam ungkapan ini k 0 -- konstanta laju orde pertama tanpa adanya semua ion katalitik: [H + ], [OH - ], [HA], [A - ], a k t -- koefisien katalitik.

Jika hanya istilah k 1 [H + ] yang memainkan peranan penting, maka dikatakan bahwa reaksi tersebut menunjukkan katalisis spesifik oleh ion hidrogen. Jika ada anggota yang menang k 3 [HA], maka mereka mengatakan bahwa reaksi tersebut tunduk pada katalisis asam umum. Jika anggota mendominasi k 4 [A - ], maka reaksi tersebut dikatakan mengalami katalisis basa umum.

Untuk katalisis asam basa spesifik, ketika laju reaksi non-katalitik rendah (k 0 = 0), dapat direpresentasikan dalam bentuk logaritma:

Untuk larutan asam:

Untuk larutan basa:

Persamaan tersebut menunjukkan bahwa dengan katalisis asam-basa tertentu, logaritma konstanta laju bergantung secara linier pada pH medium.

Mekanisme kerja katalitik ion hidrogen adalah terbentuknya senyawa antara proton dan molekul zat awal. Karena proses ini, ikatan kimia yang ada pada zat awal dilonggarkan, energi aktivasi berkurang, dan kemudian bentuk BH+ terprotonasi terurai menjadi produk reaksi dan katalis.

4. Reaksi katalitik homogen yang dikatalisis oleh senyawa kompleks

Reaksi reduksi, hidrogenasi, oksidasi, isomerisasi, polimerisasi dalam kondisi industri dilakukan dengan adanya katalis - senyawa kompleks (ion logam golongan VIII tabel periodik Fe, Co, Ni, Ru, serta Cu, Fg, Hg , Kr, Mn). Inti dari tindakan katalitik adalah ion logam bertindak sebagai donor atau akseptor elektron. Interaksi kimia antara molekul-molekul yang bereaksi yang terkoordinasi di sekitar ion logam pusat difasilitasi oleh polarisasi molekul dan penurunan energi ikatan individu. Ion logam pusat bertindak sebagai jembatan, memfasilitasi transisi elektronik antar molekul yang bereaksi.

Aktivitas katalitik suatu ion logam bergantung pada energi pengikatan ion tersebut dengan peserta reaksi. Jika energi ikatnya tinggi atau rendah, ion logam menunjukkan aktivitas katalitik yang lemah. Dalam kasus pertama, ion-ion logam berikatan sangat erat dengan molekul-molekul yang bereaksi sehingga ion-ion tersebut dikeluarkan dari reaksi. Dalam kasus kedua, molekul yang bereaksi tidak dapat menggantikan ligan lain yang ada dalam larutan. Hasilnya adalah kompleks jenuh koordinasi yang bukan merupakan katalis aktif.

Berkat kemungkinan yang luas dalam mengatur komposisi katalis kompleks, sejumlah reaksi yang melibatkan enzim yang mengandung ion unsur Golongan VIII menjadi mungkin.

5. Katalisis enzim

Enzim adalah katalis yang paling menakjubkan. Mereka terkait dengan banyak reaksi pada organisme hidup, dan oleh karena itu mereka sering disebut katalis biologis. Katalisis enzimatik adalah fenomena yang lebih kompleks dibandingkan katalisis konvensional. Tingginya organisasi proses katalisis enzimatik ditentukan oleh kekhasan interaksi dalam organisme hidup, terkait dengan kombinasi khusus struktur molekul enzim dan substrat, yang disebut reaktan dalam reaksi enzimatik.

Enzim adalah protein, mis. terdiri dari asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida. Molekul enzim memiliki gugus polar bergantian COOH, NH 2, NH, OH, SH, dll, serta gugus hidrofobik. Struktur utama enzim ditentukan oleh urutan pergantian berbagai asam amino. Akibat pergerakan termal yang kacau, makromolekul enzim membengkok dan menggulung menjadi bola-bola lepas. Interaksi antarmolekul terjadi antara masing-masing bagian rantai polipeptida, yang mengarah pada pembentukan ikatan hidrogen. Struktur sekunder enzim tampak dalam bentuk media lepas. Untuk setiap enzim, struktur sekundernya ditentukan secara lengkap. Pusat katalitik aktif enzim mencakup gugus yang mengarahkan molekul substrat pada posisi tertentu. Pusat aktif seperti matriks yang hanya dapat dimasuki oleh molekul dengan struktur tertentu. Mekanisme katalisis enzimatik terdiri dari interaksi pusat aktif enzim dengan substrat dengan pembentukan kompleks enzim-substrat, yang kemudian mengalami beberapa transformasi, sehingga muncul produk reaksi. Masing-masing tahap peralihan ditandai dengan energi aktivasi yang lebih rendah, yang berkontribusi terhadap terjadinya reaksi dengan cepat. Hal ini menjelaskan tingginya aktivitas enzim.

Enzim dibagi menjadi beberapa kelas tergantung pada jenis reaksi yang dikatalisisnya: oksidoreduktase (mengkatalisis reaksi redoks), transferase (mengkatalisis perpindahan gugus kimia dari satu senyawa ke senyawa lain), hidrolase (mengkatalisis reaksi hidrolisis), lyase (memutus berbagai ikatan), isomerase (melakukan transformasi isomer), ligase (mengkatalisis reaksi sintesis). Seperti dapat dilihat, enzim berbeda dalam spesifisitas dan selektivitas. Beberapa mengkatalisis seluruh kelas reaksi dari jenis tertentu, beberapa hanya mengkatalisis satu reaksi.

Banyak enzim mengandung ion logam (metaloenzim). Dalam metaloenzim, ion logam membentuk kompleks khelat yang menyediakan struktur aktif enzim. Logam dengan bilangan oksidasi variabel (Fe, Mn, Cu) berpartisipasi dalam reaksi redoks, mentransfer elektron ke zat pengoksidasi. Beberapa lusin senyawa organik diketahui melakukan fungsi transfer hidrogen dan elektron. Mereka mengandung turunan vitamin.

Ion logam berat (Ag+, Hg+, Pb2+) dapat menghambat gugus aktif enzim.

Untuk mengevaluasi kerja berbagai enzim, konsep aktivitas molekuler diperkenalkan, yang ditentukan oleh jumlah molekul substrat yang diubah oleh aksi satu molekul enzim per menit. Enzim paling aktif yang diketahui adalah karbonat anhidrase, yang aktivitas molekulnya ~36 juta molekul per menit.

Laju reaksi yang dikatalisis oleh suatu enzim berbanding lurus dengan konsentrasi enzim tersebut. Pada konsentrasi substrat yang rendah, reaksinya berorde satu terhadap substrat. Pada konsentrasi tinggi, laju reaksi tetap konstan dan orde reaksi menjadi nol (enzim jenuh sempurna dengan substrat). Laju reaksi bergantung pada suhu dan keasaman medium.

Katalisis enzim memainkan peran besar dalam semua manifestasi kehidupan, terutama makhluk hidup. Untuk meningkatkan aktivitas vital tubuh dan meningkatkan metabolisme, telah banyak diciptakan sediaan enzim yang digunakan sebagai obat. Sediaan enzim telah tersebar luas untuk gangguan saluran cerna yang berhubungan dengan produksi enzim pencernaan yang tidak mencukupi. Jadi, untuk beberapa bentuk maag, digunakan obat pepsin atau pankreatin. Enzim juga berhasil digunakan dalam kasus di mana perlu untuk menghancurkan formasi protein yang terakumulasi dalam jumlah besar (untuk luka bakar, luka bernanah, penyakit radang paru bernanah, dll.). Dalam kasus ini, enzim protolitik digunakan, yang menyebabkan hidrolisis protein secara cepat dan mendorong resorpsi akumulasi purulen. Untuk mengobati sejumlah penyakit menular, sediaan lisozim digunakan yang menghancurkan membran beberapa bakteri patogen. Enzim yang melarutkan bekuan darah (bekuan darah di dalam pembuluh darah) sangatlah penting. Ini adalah plasmin yang ditemukan di dalam darah; enzim pankreas - trypsin dan chymotrypsin. Atas dasar mereka, dengan berbagai aditif, sediaan enzim obat telah dibuat - streptokinase, streptase, dll., yang digunakan dalam pengobatan.

6. Katalisis heterogen

Katalisis heterogen terjadi pada antarmuka. Reaksi katalitik heterogen yang pertama kali diamati adalah dehidrasi etil alkohol pada tanah liat aktif yang dilakukan oleh Priestley (1778):

C 2 H 5 OH -- C 2 H 4 + H 2 O

Pada paruh pertama abad ke-19, sejumlah besar karya dikhususkan untuk katalisis heterogen. Banyak penelitian telah dicurahkan untuk penjelasan teoretis tentang aksi katalitik zat padat. Selanjutnya, perkembangan doktrin tersebut mengikuti akumulasi data eksperimen, pengembangan metode pembuatan katalis, penemuan dan studi proses katalitik baru, pengenalan katalisis dalam industri kimia, dan perkembangan teori katalisis heterogen. . Namun, keberhasilan para ahli teori jauh lebih sederhana dibandingkan keberhasilan para peneliti. Dan ini bukanlah suatu kebetulan.

Meskipun tidak ada perbedaan mendasar antara proses katalitik dan non-katalitik, keduanya mematuhi hukum kinetika kimia, dalam kedua kasus sistem zat yang bereaksi melewati beberapa keadaan aktif khusus, dan ciri-ciri khusus diamati dalam reaksi katalitik heterogen. Pertama-tama, benda padat muncul, yang sifat-sifatnya sangat bergantung pada semua fenomena secara keseluruhan. Oleh karena itu, bukanlah suatu kebetulan bahwa keberhasilan teori katalisis heterogen terkait erat dengan perkembangan teori zat padat. Karena proses terjadi di permukaan, pengetahuan tentang struktur permukaan katalis sangat menentukan perkembangan teori katalisis. Hal ini menyiratkan adanya hubungan erat antara perkembangan teori katalisis dan perkembangan studi eksperimental dan teoritis fenomena adsorpsi. Kompleksitas proses heterogen dan kekhususan yang melekat pada mereka mengarah pada fakta bahwa penelitian teoritis di bidang ini belum selesai. Untuk saat ini, kita dapat berbicara tentang keberadaan beberapa konsep teoretis yang, pada perkiraan pertama, menggeneralisasi fakta eksperimental tertentu.

Dalam praktiknya, dua jenis katalisis heterogen yang paling sering ditemui:

1) proses dimana katalis berada dalam fasa padat dan reaktan berada dalam fasa cair;

2) proses dimana katalis berada dalam fasa padat, dan reaktan berada dalam fasa gas. Reaksi, sebagai suatu peraturan, terjadi (dan dalam beberapa proses multi-tahap dimulai) pada antarmuka fase, yaitu. pada permukaan benda padat - katalis.

Proses heterogen dapat dibagi menjadi lima tahap:

1) pengangkutan reaktan ke permukaan katalis (difusi);

2) adsorpsi reaktan pada permukaan katalis;

3) reaksi di permukaan;

4) desorpsi produk reaksi dengan pelepasan permukaan katalis;

5) pengangkutan produk reaksi ke dalam volume (difusi).

Bergantung pada kondisi proses dan fitur-fiturnya, salah satu dari lima tahap tersebut bisa menjadi yang paling lambat, dan oleh karena itu, kecepatan proses katalitik dapat dibatasi oleh salah satu tahap tersebut. Untuk penilaian komparatif aktivitas katalis, laju reaksi di permukaan sangat menentukan. Oleh karena itu, dalam kasus di mana penting untuk mendapatkan nilai aktivitas katalis, mereka mencoba melakukan proses sedemikian rupa sehingga lajunya ditentukan oleh tahap kedua, yang disebut tahap kinetik.

Adsorpsi dan desorpsi memiliki hukumnya masing-masing. Adsorpsi adalah proses perubahan spontan konsentrasi suatu zat pada antarmuka. Zat yang permukaannya terjadi proses adsorpsi disebut penyerap. Zat yang teradsorpsi disebut adsorbat. Dalam katalisis heterogen, adsorben adalah katalis, dan adsorbat adalah molekul reaktan (substrat). Adsorpsi suatu substrat pada katalis dapat terjadi karena adanya gaya interaksi yang timbul antara molekul (atom) katalis yang terletak di permukaan dengan molekul substrat (adsorpsi fisik). Interaksi kimia (adsorpsi kimia atau kemisorpsi) dapat terjadi antara molekul (atom) katalis dan molekul reaktan. Akibat adsorpsi, orde sistem bertambah dan energi sistem berkurang serta energi aktivasi reaksi berkurang.

Untuk proses heterogen, pergerakan suatu zat dari volume internal cairan atau gas ke permukaan padat sangatlah penting. Proses perpindahan massa mematuhi hukum difusi.

Kesimpulan

Pentingnya katalis dan proses katalitik dalam penyulingan minyak dan petrokimia tidak bisa diremehkan. Bagaimanapun, mereka adalah dasar kemajuan teknologi di bidang terpenting dalam memenuhi kebutuhan masyarakat manusia modern. Intinya adalah, pertama-tama, minyak dari berbagai ladang biasanya hanya mengandung 5 hingga 20% fraksi dengan titik didih rendah yang setara dengan bensin. Dengan berkembangnya transportasi mobil dan udara saat ini, kebutuhan akan bensin sangat besar. Pada saat yang sama, bahan bakar motor yang disuling langsung dari oli biasanya berkualitas rendah. Penggunaan perengkahan dan reformasi katalitik yang dikombinasikan dengan metode pemrosesan modern lainnya memungkinkan peningkatan hasil bensin tingkat tinggi hingga 75% berat minyak. Bahan bakar motor juga diproduksi melalui hidrogenasi katalitik batubara menggunakan katalis logam.

Pemrosesan katalitik lebih lanjut dari hidrokarbon menjadi katalis logam dan oksida memungkinkan diperolehnya produk antara yang diperlukan dalam produksi barang konsumsi. Sebagian besar monomer dan polimer yang diperoleh darinya merupakan produk proses katalitik pengolahan hidrokarbon dan turunannya yang diperoleh dari minyak, batu bara, serpih, dan gas alam. Proses katalitik memainkan peranan penting dalam produksi deterjen dan pewarna untuk bahan obat.

Sintesis organik dasar, yang menghasilkan zat antara (dan produk teknologi organik) terutama didasarkan pada reaksi katalitik. Produk kimia seperti asam sulfat, amonia dan asam nitrat sangat penting dalam kehidupan masyarakat modern. Hampir semua sektor perekonomian nasional mengkonsumsi zat-zat tersebut atau senyawa kimia lain yang diperoleh dengan bantuannya. Mereka digunakan untuk memproduksi puluhan juta ton pupuk mineral, yang tanpanya produktivitas lahan tidak mungkin ditingkatkan atau bahkan dipertahankan. Ratusan industri kimia, petrokimia, makanan, ringan dan lainnya menggunakan sulfat, asam nitrat, amonia dan turunannya. Senyawa ini juga digunakan dalam industri metalurgi dan pengerjaan logam.

Sementara itu, produksi asam sulfat, amonia, dan asam nitrat dari amonia dalam skala besar hanya dimungkinkan berkat penemuan katalis yang tepat dan pengembangan metode penggunaannya.

Daftar sumber yang digunakan

1) AP Belyaeva. Kimia fisik dan koloid. M.: GOETAR-Media, 2008

2) AKU P. Mukhlenov. Teknologi katalis. M.: Bukunis, 2007

3) Ensiklopedia kimia. - M.: Ensiklopedia Soviet, 1990.

4) Imyanitov N.S. Sistem beberapa katalis dalam katalisis kompleks logam. // Kimia koordinasi. 1984.

Dokumen serupa

Esensi dan ciri-ciri proses katalisis kompleks logam. Sifat kompleks logam yang menentukan aktivitas katalitik. Pemodelan katalisis enzimatik. Area penerapan, kelebihan dan kekurangan katalisis kompleks logam.

laporan, ditambahkan 16/03/2015


Teori umum katalisis homogen. Tahapan proses katalisis dan laju reaksi. Kinetika reaksi katalitik disproporsionasi hidrogen peroksida dengan adanya berbagai jumlah katalis Fe2+, pengaruh pH terhadap laju reaksi.

tes, ditambahkan 18/09/2012


Penentuan laju reaksi kimia. Sejarah penemuan, konsep dan jenis reaksi katalitik. Pendapat para tokoh kimia tentang fenomena katalisis, aspek fisika dan kimianya. Mekanisme katalisis heterogen. Katalisis enzimatik dalam biokimia.

abstrak, ditambahkan 14/11/2010


Konsep katalisis, katalis dan proses katalitik, berbagai definisinya. Mekanisme percepatan reaksi dengan katalis. Katalisis kimia (non-biologis). Sintesis dietil eter dari alkohol dengan partisipasi asam sulfat. Teori katalisis.

abstrak, ditambahkan 26/01/2009


Katalis logam, katalis campuran dan multifungsi untuk katalisis heterogen. Persyaratan untuk katalis. Teori katalisis heterogen. Teori multipleks dan elektron. Teori ansambel aktif. Katalisis dalam pemrosesan gas alam.

tugas kursus, ditambahkan 05/06/2014


Definisi katalisis dan perannya dalam industri. Selektivitas dan gagasan umum tentang konsep “mekanisme reaksi kimia”. Klasifikasi sistem katalitik berdasarkan fase dan jenis reaksi. Adsorpsi dan persyaratan dasar katalis industri.

abstrak, ditambahkan 26/01/2009


Metode merebus garam arenadiazonium. Analisis keasaman termodinamika fenol. Karakteristik asilasi fenol, katalisis asam dan asam fenoksiasetat. Fitur reaksi Kolbe-Schmitt, metode memperoleh asam fenoksiasetat.

tes, ditambahkan 28/03/2012


Pokok bahasan termokimia, studi tentang efek termal dari reaksi kimia. Jenis kinetika kimia dan proses katalisis. Entalpi (efek panas) reaksi. Laju reaksi, hukum aksi massa. Konstanta kesetimbangan kimia, pengaruh katalis.

presentasi, ditambahkan 19/10/2014


Enzim (enzim) adalah katalis biologis yang digunakan dalam produksi produk asam laktat. Aturan internasional untuk tata nama enzim. Hanya protein globular yang dapat menjadi enzim. Tingkat struktur protein. Kinetika katalisis enzimatik.

abstrak, ditambahkan 26/01/2009


Konsep katalis biologis, kerja enzim dalam sistem kehidupan dan klasifikasinya. Faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas katalis biologis. Zat yang disebut koenzim. Kinetika katalisis enzimatik, persamaan Michaelis-Menten.