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主要内容

催化剂的种类

什么是催化剂?本章包含了催化酶的例子,酸碱催化和非均相(或表面)催化。 

要点

  • 催化剂 是一种可以用来增加反应速率,同时自身不在反应中被消耗的物质。
  • 催化剂通常通过降低活化能或改变反应机理来加快反应。
  • 是一种蛋白质,在生化反应中充当催化剂。
  • 常见的催化剂种类包括: , 酸碱催化剂, 和 多相 (或 非均相) 催化剂

简介: 动力学思想实验

你的大脑是由葡萄糖的氧化驱动的。葡萄糖的氧化可以通过下面这个配平后的化学方程式来表示:
C6H12O6(s)+6O2(g)6CO2(g)+6H2O(l)+heatΔGat 25C=2885kJmol
如果没有这个化学反应, 学习化学会变得 非常 困难. 幸运的是, 氧化反应是热力学上的有利反应,产生25C的净热量,因为ΔG<0.
切一片5毫米(mm)的葡萄,并放在窗户上观察。
你知道葡萄糖最先是从葡萄干中提取出来的吗? 图片 取自 Wikimedia Commons, 公有领域
让我们来尝试一下,找一些又好吃又甜的食物,比方说葡萄干。加上一些氧气(即将它放在空气中)。看看会发生什么?
你注意到热能的释放了吗? 水的生成和大量二氧化碳气体的释放?
最有可能的,是葡萄干除了在空气中变得更干外并没有发生其他变化。 尽管氧化反应是热力学中的有利反应, 可是反应的速率却非常 非常 非常 慢.
反应速率受到以下因素的影响:
  • 活化能
  • 温度: 如果你把葡萄干加热到足够高的温度, 它很可能会着火氧化
这两个因素密切相关: 提高反应温度会增加反应物分子的动能。这增加了他们有足够能量来突破反应屏障的可能性
你知道你的身体是如何解决葡萄糖氧化的问题吗? 毕竟, 你的身体温度并不比 25C 高多少, 那么这个化学反应是如何在身体里持续发生的呢?
生物系统使用 催化剂 来提高氧化反应速率,使它在较低温度中的反应速率更快。在本篇文章中,我们将更多的学习什么是催化剂,以及不同种类的催化剂。

什么是催化剂?

催化剂 是可以添加到反应中的物质, 用以提高反应速率, 且不会在此过程中被消耗。它们常见的工作原理有:
  1. 降低过渡状态的能量, 从而降低活化能,
  2. 改变反应的机理。这也改变了过渡态的性质 (和能量)。
催化剂无处不在! 许多生化反应, 如葡萄糖的氧化, 在很大程度上依赖于 , 即作为催化剂的蛋白质。
*其他常见的催化剂种类包括: 酸碱催化剂, 和 多相 (或 非均相) 催化剂

示例: 碳酸酐酶

碳酸酐酶催化了二氧化碳的可逆反应 (CO2) 和水 (H2O) 来形成碳酸. 当人体内 CO2 (二氧化碳)浓度过高时, 碳酸氢氧化酶催化以下的反应:
CO2+H2OH2CO3
通过调节血液和组织中碳酸的浓度, 酶能够保持体内的 pH 平衡。
人体碳酸酐酶II 的带状图。蛋白质中心的深灰色球体为一个锌离子
人体碳酸酐酶 II的带状图。化学是多么美丽的一门学科。蛋白质中心的灰色球体为锌离子 Image 取自 Wikimedia Commons, public domain
碳酸酐酶是已知最快的酶之一, 反应率在 每秒104 和 每秒106 之间。 与每秒0.2反应率的未催化反应对比,足足提升了105107, 真惊人!
下图显示了二氧化碳和水之间形成碳酸的反应的能量图。用一条蓝线表示与催化剂的反应, 用红线表示非催化反应。
催化反应图 (在二氧化碳浓度较高的情况下由碳酸酐酶催化的) 显示了非催化和催化反应中活化能的差异。反应物和产物在有酶和无酶的反应下都具有相同的能量, 因此整个反应的能量改变不会发生变化。
二氧化碳和水之间反应形成碳酸的能量图。催化剂 (蓝线) 的添加降低了过渡状态的能量, 但与非催化反应(红线)相比不会改变ΔHrxn compared to the uncatalyzed reaction (red line). Image 选自 Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
催化剂降低了反应的过渡状态的能量。由于活化能是过渡态能量和反应物能量之间的差异, 降低过渡状态能量也会降低活化能。
注意,反应物和产物的能量对于催化和未催化的反应是相同的。因此反应所释放的总能量在有酶的情况下, ΔHrxn, 也不会改变 . 这强调了非常重要的一点, 反应的动能,例如反应速率,和反应的热力学并没有直接关系

酸碱催化剂

在酸催化中, 催化剂通常为一个H+离子。在碱催化中,催化剂通常为一个OH 离子
酸催化的反应的一个例子是蔗糖的水解, 也称为食糖。蔗糖是两种简单的糖 (或 单糖)、葡萄糖和果糖的组合。随着酸或蔗糖等酶的加入, 蔗糖可以分解成葡萄糖和果糖, 如以下一系列反应所示:
蔗糖逆反应与氢质子,H+, 形成质子化蔗糖, 其中连接葡萄糖和果糖的氧也被质子化。质子化蔗糖与水逆反应, 形成一个葡萄糖分子、一个果糖分子和H+。
酸催化反应, 从蔗糖中形成葡萄糖和果糖, 也称为食糖
在第一步中,蔗糖与 H+ (在图中用红色表示)逆反应, 形成质子化蔗糖。质子化蔗糖与水逆反应(在图中用蓝色表示) 形成一个 H+分子, 一个葡萄糖分子, 一个果糖分子。 整个反应的化学方程式如下:
C12H22O11(蔗糖)+H2O(水)酸催化剂C12H22O11(葡萄糖)+C12H22O11(果糖)
由于H+ 在作为反应物和产物时的含量相等, 这说明它并没有在反应中被消耗。因此催化剂在整个化学反应中既不属于反应物,也不属于产物。

非均相催化剂和表面催化剂

非均相催化剂是与反应物处于不同形态的催化剂。例如, 催化剂可能处于固态, 而反应物处于液态或气态。
非均相催化剂的一个例子是汽油车或柴油车中的催化转化器。催化转化器包含嵌入在固态载体中的过渡金属催化剂。固态催化剂接触到汽车尾气中的气体, 从而提高了反应速率,并在废气中的污染物 (如一氧化碳和未燃烧的燃料) 中形成毒性较小的产物。
金属管横截面上呈实心褐色蜂窝状多孔材料即是固态催化剂。
在催化转换器中的固态催化剂能减少有毒气体、未燃燃料和颗粒物的排放。固态结构支撑的目的是为了提高催化剂和废气的接触面积 Image 来自Oak Ridge National Laboratory floor CC-NC-2.0
催化转化器也是 表面催化 的一个例子, 在这种情况下, 反应物分子在与催化剂反应形成产物之前, 先被吸附在固体表面上。表面催化反应的速率随着催化剂与反应物接触的表面积而增加。因此, 催化转化器内部的固体支撑结构被设计的具有非常高的表面积, 因此具有多孔、蜂窝状的外观。
非均相催化和表面催化的另一个例子是用于制造普通塑料 (或 聚合物 ) (如聚乙烯) 的工艺。这些催化剂被称为齐格勒-纳塔催化剂, 它们被用来制造从塑料包装到酸奶杯的一切。过渡金属催化剂在与气态或液态的起始材料 (也称为 单体 ) 反应之前, 先被嵌入到固体支撑结构上。
X射线显示(图像左侧) 的右髋关节已被替换 , 球窝关节的骨骨头被金属头所取代, 髋臼被白色塑料杯取代 (X射线图中显示清晰)。
聚乙烯也可用于人工关节! 这个人造髋关节中的金属球关节成功接入聚乙烯髋臼, 在X射线图中看起来很清晰。 Image 来自维基共享资源, 公有领域
尽管反应物处于气态, 产物聚合物通常是固体。我想这种反应类似于做爆米花: 未爆的玉米仁是被固体支撑结构支撑着的催化剂。气体单体的反应在催化剂的表面形成一层的固体产物聚合, 最终成为聚合物 "爆米花"。化学它就像魔术!

总结

  • 催化剂是一种可以用来增加反应速率,同时自身不在反应中被消耗的物质。
  • 催化剂通常通过降低活化能或改变反应机理来加快反应。
  • 酶是一种蛋白质,在生化反应中充当催化剂。
  • 常见的催化剂种类包括:酶, 酸碱催化剂, 和多相(或 非均相) 催化剂。

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