13.11: Kataliz
Bir katalizörün varlığı, bir kimyasal reaksiyonun hızını etkiler. Katalizör, işlem sırasında tüketilmeden reaksiyon hızını artırabilen bir maddedir. Kimyasal reaksiyonlar sırasında katalizör rolünün temel bir kavrayışı, reaksiyon mekanizmaları ve enerji diyagramları kavramından anlaşılabilir.
Gösterilen görüntü, bir katalizörün yokluğunda (kırmızı eğri) ve varlığında (mavi eğri) ilerleyen bir endotermik kimyasal işlem için reaksiyon diyagramlarını temsil eder.
Her iki eğri de aynı genel reaksiyonu temsil eder – aynı enerjilerde başlar ve biter. (Bu durumda, ürünler reaktanlardan daha fazla enerjiye sahiptir. Bu nedenle, reaksiyon endotermiktir). Bununla birlikte, reaksiyon mekanizmaları farklıdır. Katalize edilmemiş reaksiyon, tek adımlı bir mekanizma ile ilerler (sadece bir gözlenen geçiş durumu ile). Bunun tersine, katalize reaksiyon, özellikle daha az aktivasyon enerjisi ile iki aşamalı bir mekanizma (iki geçiş durumu gözlenir) izler. Reaksiyon yollarındaki bu fark, katalizörün daha düşük aktivasyon enerjisine sahip alternatif bir reaksiyon mekanizması sağlamadaki ve dolayısıyla reaksiyonları hızlandırmadaki rolünü gösterir.
Katalize reaksiyon mekanizmasının, katalize edilmemiş mekanizmadan daha fazla sayıda temel adım içermesi gerekmez. Bununla birlikte, hız belirleme adımı, daha hızlı olan alternatif bir reaksiyon yolu sağlamalıdır (daha düşük bir Ea veya aktivasyon enerjisi ile).
Katalitik bir reaksiyon, katalizörlerin ve reaktanların katalitik süreç sırasında var olduğu fiziksel durumlara bağlı olarak homojen veya heterojen olarak kategorize edilebilir.
Homojen Kataliz
Homojen katalizde, katalizör reaktanlarla aynı fazda –katı, sıvı veya gaz– bulunur. İşlem sırasında, katalizör bir ara madde oluşturmak için reaktanla etkileşime girer ve daha sonra orijinal katalizörü yeniden oluşturmak ve nihai ürünü oluşturmak için bir veya daha fazla adımda başka bir reaktanla reaksiyona girer.
Homojen katalize bir örnek, dünyanın üst atmosferinde meydana gelen ozonun ayrışmasını içeren kimyasal süreçtir. Ozon, diatomik oksijen vermek üzere ayrışan nispeten kararsız bir moleküldür. Bu ayrıştırma reaksiyonu, aşağıdaki iki aşamalı mekanizma ile uyumludur:
Pek çok madde ozonun ayrışmasını katalize edebilir. Örneğin, ozonun nitrik oksitle katalize edilen ayrışmasının aşağıdaki üç aşamalı mekanizma yoluyla meydana geldiğine inanılmaktadır:
Bununla birlikte, genel reaksiyon hem iki aşamalı katalize edilmemiş mekanizma hem de üç aşamalı katalize edilmemiş mekanizma için aynıdır:
Katalize edilen reaksiyonda, NO'nun mekanizmanın ilk adımında bir reaktan ve son adımda bir ürün olduğuna dikkat edin. Bu, bir katalizörün bir başka karakteristik özelliğidir: Kimyasal reaksiyona katılmasına rağmen, reaksiyon tarafından tüketilmez. Ek olarak, bu homojen katalizde, hem reaktan hem de katalizör gaz halinde bir fazda bulunur.
Heterojen Kataliz
Heterojen katalizde, katalizör reaktanlardan farklı bir fazda (genellikle katı) bulunur. Bu tür katalizörler genellikle bir reaksiyonun meydana gelebileceği aktif bir yüzey sağlayarak işlev görür. Heterojen katalizörler tarafından katalize edilen gaz ve sıvı faz reaksiyonları, gaz veya sıvı faz içinde değil, katalizör yüzeyinde meydana gelir.
Heterojen kataliz tipik olarak aşağıdaki işlemleri içerir:
- Katalizörün yüzeyindeki reaktan(lar)ın adsorpsiyonu
- Adsorbe reaktan(lar)ın aktivasyonu
- Adsorbe reaktan(lar)ın reaksiyonu
- Katalizörün yüzeyinden ürün(ler)in desorpsiyonu
Gösterilen görüntü, etan gazı oluşturan katı bir nikel yüzeyinde etilen ve hidrojen gazının heterojen katalizini içeren reaksiyon mekanizmasını temsil eder (C2H4 +H2⟶ C2H6):
(a) Hidrojen nikel yüzeyinde adsorbe olur. İşlem sırasında, hidrojen-hidrojen bağları nikel-hidrojen bağları oluşturmak için kırılır.
(b) Etilen ayrıca karbon-karbon pi-bağını kırarak ve nikel-karbon bağları oluşturarak nikel yüzeyinde adsorbe olur.
(c) Hidrojen atomları yüzey boyunca dağılır ve etan oluşturmak için çarpıştıklarında yeni karbon-hidrojen bağları oluştururlar (C2H6).
(d) Etan molekülleri nikel yüzeyinden desorbe edilir.
Heterojen kataliz, amonyak, nitrik asit, sülfürik asit ve metanol gibi kimyasal ürünleri endüstriyel olarak üretmek için kullanılır. Benzinle çalışan otomobillerin çoğunda bulunan katalitik konvertörlerde de heterojen katalizörler kullanılmaktadır.
Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 12.7: Catalysis