'n Energiediagram wat aangee hoe die katalisator die aktiveringsenergie van 'n chemiese reaksie verander.

'n Katalisator is 'n stof wat 'n chemiese reaksie vinniger laat verloop sonder om deur hierdie reaksie verbruik te word.

Die aanwesigheid van 'n katalisator sal die vry entalpie (Gibbs-energie) van die reaksie ΔrG onveranderd laat, maar die aktiveringsenergie ΔrG, wat saamhang met die energie van die oorgangstoestand verlaag. Die kan die snelheid van die reaksie baie vergroot.

Oor die algemeen vind chemiese reaksies vinniger plaas in die teenwoordigheid van 'n katalisator, omdat die katalisator 'n alternatiewe reaksievlak bied met 'n laer aktiveringsenergie as die nie-gekataliseerde meganisme. In gekataliseerde meganismes reageer die katalisator gewoonlik om 'n tydelike tussenproduk te vorm, wat dan die oorspronklike katalisator regenereer in 'n sikliese proses. 'n Stof wat 'n meganisme het met 'n hoër aktiveringsenergie en dus nie die reaksietempo verhoog nie, word nie as 'n katalisator beskou nie, maar as 'n reaksieremmer.

Die beraming is dat 90% van alle kommersieel-vervaardigde chemiese produkte katalisators in 'n stadium in die vervaardigingsproses gebruik.[1]

Tipe katalisatorsWysig

Katalisators kan as homogeen óf heterogeen geklassifiseer word.[2] 'n Homogene katalisator is een waarvan die molekules in dieselfde fase (gewoonlik gasvormig of vloeistof) as die reaktant se molekules versprei is. 'n Heterogene katalisator is een waarvan die molekules nie in dieselfde fase is as die reaktante nie, wat tipies gasse of vloeistowwe is wat op die oppervlak van die vaste katalisator geadsorbeer word. Ensieme en ander biokataliste word dikwels as 'n derde kategorie beskou.

'n Goeie voorbeeld van 'n homogene katalisator is 'n oplosbare molekule, soos 'n ensiem wat in die (homogene) reaksiemengsel aanwesig is. 'n Voorbeeld van 'n heterogene katalisator is 'n vastestof soos mangaandioksied MnO2 wat by 'n oplossing van waterstofperoksied gevoeg word. Dit bevorder die ontbinding van waterstofperoksied in water en suurstofgas:

 

ElektrokatalisatorWysig

In die konteks van elektrochemie, spesifiek in brandstofsel-ingenieurswese, word verskillende metaal-bevattende katalisators gebruik om die tempo van die halfreaksies wat die brandstofsel bevat, te verhoog. Een algemene tipe brandstofsel-elektrokatalisator is gebaseer op nanopartikels van platinum wat op effens groter koolstofdeeltjies ondersteun word. As dit in kontak is met een van die elektrodes in 'n brandstofsel, verhoog hierdie platinum die tempo van suurstofvermindering óf na water, óf na hidroksied of waterstofperoksied.

FotokatalisatorWysig

Fotokatalise is die verskynsel waar die katalisator lig kan ontvang, bevorder kan word tot 'n opgewekte toestand, en dan met die beginmateriaal kan omgaan en weer in die grondtoestand kan terugkeer sonder om verbruik te word. Die opgewekte toestand van die uitgangsmateriaal sal dan reaksies ondergaan wat dit normaalweg nie kon nie deur net direk verlig te word nie. Fotokatalisators is die belangrikste bestanddeel in kleurstofsensitiewe sonkragselle.

Ensieme en biokatalisatorsWysig

Biokatalisators kan beskou word as 'n tussenproduk tussen homogene en heterogene katalisators, hoewel streng gesproke oplosbare ensieme homogene katalisators is en membraangebonde ensieme heterogeen is. Verskeie faktore beïnvloed die aktiwiteit van ensieme, insluitend temperatuur, pH, konsentrasie van ensiem, substraat en produkte. Water is 'n baie belangrike reagens in ensiematiese reaksies en is die produk van baie bindingsvormende reaksies en 'n reaktant in baie ontbindingsprosesse.

GeskiedenisWysig

Die term "katalisator" is afgelei van Grieks καταλύειν, wat beteken "om te vernietig" of "om los te maak" of "om op te tel." Die konsep van katalise is uitgevind deur die chemikus Elizabeth Fulhame en beskryf in 'n boek van 1794, gebaseer op haar nuwe werk in eksperimente met oksidasie-reduksie-reaksies.[3] Die eerste chemiese reaksie in organiese chemie wat 'n katalisator gebruik, is in 1811 bestudeer deur Gottlieb Kirchhoff wat die suurkataliseerde omskakeling van stysel na glukose ontdek het.

Die term katalise is later deur Jöns Jakob Berzelius in 1835 gebruik om reaksies te beskryf wat versnel word deur stowwe wat na die reaksie onveranderd bly.[4] Fulhame, wat Berzelius voorafgegaan het, het in haar reduksie-eksperimente met water gewerk in teenstelling met metale.

Ander chemici in die 18de eeu wat aan katalise gewerk het, was Eilhard Mitscherlich[5] wat daarna verwys het as "kontakprosesse", en Johann Wolfgang Döbereiner[6][7] wat praat van "kontakaksie". Hy het die Döbereinerlamp ontwikkel, 'n lamp gebaseer op waterstof en 'n platinum spons, wat in die 1820's 'n kommersiële sukses geword het en wat vandag voortduur.

Humphry Davy het die gebruik van platinum in katalise in 1817 ontdek.[8] In die 1880's het Wilhelm Ostwald aan Leipzig se Universiteit 'n stelselmatige ondersoek begin na reaksies wat gekataliseer is deur die teenwoordigheid van sure en basisse, en het bevind dat chemiese reaksies teen 'n beperkte tempo voorkom en dat hierdie tempo gebruik kan word om die sterkte van sure en basisse te bepaal. Vir hierdie werk is Ostwald bekroon met die 1909 Nobelprys in chemie.[9]

Vladimir Ipatieff het enkele van die vroegste industriële skaal katalitiese reaksies uitgevoer, waaronder die ontdekking en kommersialisering van oligomerisering en die ontwikkeling van katalisators vir hidrogenering.[10]

Die gebruik van katalisators is baie oud. Die Neanderdallers het dalk reeds mangaandioksied gebruik om die ontbrandingstemperatuur van hout te verlaag en eenvoudiger vuur te kan maak.[11]

VerwysingsWysig

  1. (September 2005) “Erkenning van die beste in innovasie: Deurbraak katalisator” (in Engels). R&D Magazine.
  2. Peter Atkins, Julio de Paula, Physical Chemistry, 10de uitgawe, 2014, ISBN 978-1-4292-9019-7 bls 840
  3. Rayner-Canham, Marelene; Rayner-Canham, Geoffrey William (2001). Women in Chemistry: Their Changing Roles from Alchemical Times to the Mid-Twentieth Century (in Engels). American Chemical Society. ISBN 978-0-8412-3522-9.
  4. Berzelius, J.J. (1835). Årsberättelse om framstegen i fysik och kemi: 1835 [Jaarverslag oor vordering in fisika en chemie : 1835]. Årsberättelser om vetenskapernas framsteg (in Sweeds). Norstedt. p. 245. Besoek op 18 December 2019.
  5. Mitscherlich, E. (1834). “Ueber die Aetherbildung [Op die vorming van eter]” (in Duits). Annalen der Physik und Chemie 31 (18): 273–82. doi:10.1002/andp.18341071802.
  6. Döbereiner (1822). “Glühendes Verbrennen des Alkohols durch verschiedene erhitzte Metalle und Metalloxyde [Gloeiende verbranding van alkohol deur verskillende verhitte metale en metaaloksiede]” (in Duits). Journal für Chemie und Physik 34: 91–92.
  7. Döbereiner (1823). “Neu entdeckte merkwürdige Eigenschaften des Platinsuboxyds, des oxydirten Schwefel-Platins und des metallischen Platinstaubes [Onlangs geontdek: merkwaardige eienskappe van platinumsuboksied, geoksideerde platinumsulfied en metaalagtige platinumstof}” (in Duits). Journal für Chemie und Physik 38: 321–26.
  8. Davy, Humphry (1817). “Enkele nuwe eksperimente en waarnemings met betrekking tot die verbranding van gasmengsels sonder vlam, met inagneming van 'n metode om 'n voortdurende lig te bewaar in mengsels van ontvlambare gasse en lug” (in Engels). Philosophical Transactions of the Royal Society of London 107: 77–85. doi:10.1098/rstl.1817.0009.
  9. Roberts, M.W. (2000). “Geboorte van die katalitiese konsep (1800–1900)” (in Engels). Catalysis Letters 67 (1): 1–4. doi:10.1023/A:1016622806065.
  10. Nicholas, Christopher P. (21 Augustus 2018). “Dehidrasie, diene, hoë oktaan en hoë druk: Bydraes van Vladimir Nikolaevich Ipatieff, 'n vader van katalise” (in Engels). ACS Catalysis 8 (9): 8531–39. doi:10.1021/acscatal.8b02310.vrye toegang
  11. Anderson, Natali (4 Maart 2016). Neandertalers kon mangaandioksied gebruik het om brande aan te steek (Engels). sci-news.com.

Eksterne skakelsWysig