Powiedzieć, że wszystkim się spieszy to powiedzieć rzecz oczywistą. W kolejce w sklepie, w samochodzie, w pracy, w szkole, wszędzie czujemy nieustanną presję czasu, którego wciąż nam brakuje. Nie trzeba więc wielkiej przenikliwości, żeby stwierdzić, że chemikom też się spieszy.
Cały problem w tym, że prawa przyrody są nieubłagane. Złożone relacje i oddziaływania między atomami i cząsteczkami związków chemicznych sprawiają, że jedne reakcje zachodzą szybciej, a inne wolniej. Spalanie węgla, reakcja kwasu octowego z sodą to proste przykłady reakcji bardzo szybkich.
Jednak znamy wiele przykładów procesów, które zachodzą bardzo wolno. Syntezy skomplikowanych związków, czy wprowadzanie grup funkcyjnych w ściśle określone miejsce danej cząsteczki wymagają od chemików wiele, wiele cierpliwości. I to nawet w sytuacjach, kiedy proces jest jednoetapowy. Niektóre reakcje chemiczne są tak wolne, że żeby stwierdzić, że zachodzą trzeba wielu lat!
[via Wikimedia Commons]
Czy jednak szybkość danej reakcji chemicznej jest wartością stałą? Otóż nie. Pierwszym czynnikiem wpływającym na nią jest temperatura. Zjawisko to badał m.in. szwedzki chemik Arrhenius, który nawet sformułował równanie opisujące zależność między szybkością reakcji a temperaturą, w jakiej ona zachodzi.
Zasadniczo dla każdej reakcji chemicznej jest to zależność dodatnia, czyli, inaczej mówiąc, wzrost temperatury zwiększa szybkość reakcji, choć zależność między tymi wielkościami niekoniecznie musi być liniowa. To znaczy, że dwukrotny wzrost temperatury nie musi oznaczać dwukrotnego wzrostu temperatury. Ta zależność jest dużo bardziej złożona.
Jednak zwiększanie temperatury nie zawsze daje pozytywne rezultaty. Trzeba bowiem pamiętać o innych zjawiskach, na przykład o tym, czy reakcja jest egzotermiczna czy endotermiczna. Choć było to „wałkowane” na chemii w szkole, to pozwolę sobie krótko przypomnieć, że chodzi o to, czy w czasie zachodzenia reakcji wydziela się energia cieplna czy jest ona pochłaniana.
W tym pierwszym wypadku dodatkowe dostarczanie temperatury będzie ostatecznie prowadziło do obniżenia wydajności reakcji. To znaczy, że choć reakcja zajdzie szybciej to produktu powstanie mniej. Temperatura bardzo silnie wpływa właśnie na równowagę reakcji, czyli stosunek ilości produktów do substratów, które nie przereagowują do końca.
[Photogravure Meisenbach Riffarth & Co. Leipzig., Public domain, via Wikimedia Commons]
Na szybkość reakcji wpływa także stężenie substratów. Poniekąd to logiczne – im większe zagęszczenie cząstek substratów (na przykład kwasu i zasady) tym większe prawdopodobieństwo, że się spotkają i reakcja zajdzie.
Rzecz w tym, że ta zależność także nie jest prosta i intuicyjna. Dla każdej reakcji trzeba indywidualnie wyznaczyć wzór opisujący, jak stężenia substratów wpływają na szybkość reakcji między nimi. Może się bowiem okazać, że szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia substratów, albo proporcjonalna do ich stężeń podniesionych do potęgi. A czasem nawet w ogóle od ich stężenia nie zależy! Ciężka sprawa, czyż nie?
W obu przypadkach, to znaczy zależności szybkości reakcji od temperatury i od stężenia, często okazuje się, że choćbyśmy nie wiem jak bardzo zwiększali temperaturę czy ciśnienie to i tak szybkość reakcji pozostanie na tyle niska, że reakcja dalej będzie zachodzić zbyt wolno na nasze potrzeby.
Czy więc nic nie da się zrobić? Na szczęście da się, bo tu na scenę wchodzą KATALIZATORY.
Dla wielu pojęcie to kojarzy się z elementem układu wydechowego w samochodach. W chemii jednak pojęcie to ma inne i dużo szersze znaczenie. Katalizatorami nazywane są bowiem wszystkie związki chemiczne, które biorą udział w reakcji chemicznej, zmieniając sposób w jaki ona zachodzi, ale ostatecznie nie wchodząc w skład cząsteczki produktu/produktów. Tym samym w ogólnym rozrachunku katalizatory nie są w procesie zużywane. A to oznacza, że mogą wziąć udział w kolejnej reakcji chemicznej z udziałem takich samych substratów i tak w kółko, aż się one wyczerpią.
Katalizatory są więc takimi pomocnikami, które ułatwiają zajście reakcji. Są trochę jak ktoś pomagający wnieść starszej osobie zakupy na czwarte piętro. W zwykłym przypadku ta osoba musiałaby robić przystanki na każdym piętrze, by nie dostać zadyszki, a tak dzięki pomocnikowi może zrobić to dużo szybciej. Ciągnąć tę analogię, zwróćcie uwagę, że obecność pomocnika nie wpływa na ilość zakupów, które znajdą się ostatecznie na czwartym piętrze. Jest ona taka sama niezależnie, czy starsza osoba wniesie je sama czy z pomocą napotkanej życzliwej osoby.
W gruncie rzeczy tak samo jest z katalizatorem. On tylko PRZYSPIESZA proces, ale NIE ZWIĘKSZA ilości produktów, bo o tym decyduje równowaga reakcji. To bardzo ważne zastrzeżenie, bo jeśli ze stałej równowagi wynika, ze proces ma niską wydajność, to użycie katalizatora tego nie zmieni, po prostu reakcja zajdzie szybciej, ale „zatrzyma się” w tym samym miejscu.
Na dziś już kończę, a o tym jakie i gdzie są stosowane katalizatory w codziennym życiu opowiem już za tydzień 😉
Wojciech Smułek