Kontynuujmy naszą opowieść o katalizatorach. Nim przejdziemy do ich konkretnych przykładów, trzeba dopowiedzieć jeszcze trochę o ich rodzajach. A więc katalizatory mogą być homogeniczne lub heterogeniczne. Te pierwsze to takie, które występują w tej samej fazie skupienia jak reagujące ze sobą substancje. Na przykład już niewielki dodatek kwasu katalizuje (a więc przyspiesza) hydrolizę tłuszczy do prostszych związków.
Z kolei kataliza heterogeniczna oznacza, że katalizator jest w innej fazie niż reagenty. Zwykle jest on ciałem stałym, porowatym jak gąbka albo drobno sproszkowanym, by zwiększyć powierzchnię kontaktu katalizatora z substratami reakcji, które występują wtedy jako ciecze lub gazy.
Droga kataliza
Wśród katalizatorów heterogenicznych dominują metale szlachetne. Króluje wśród nich platyna, bowiem to ona głównie jest stosowana w katalizatorach samochodowych. W jej obecności możliwe jest przekształcenie produktów niecałkowitego spalania paliwa, m.in. tlenków azotu i tlenku węgla(II) (tzw. czadu) do ich mniej szkodliwych, bardziej utlenionych, pochodnych.
[User Stahlkocher on de.wikipedia, via Wikimedia Commons]
Z kolei produkcja tworzyw sztucznych wykorzystuje na przykład rod, który pozwala na syntezę polietylenu. Natomiast pallad wykorzystuje się w rafineriach ropy naftowej w procesach przyłączania i odłączania wodoru od cząsteczek węglowodorów.
Jakkolwiek metale szlachetne nie mają monopolu na katalizę. Na przykład zwykłe, poczciwe żelazo i jego związki też bywa stosowane jako katalizator. Przykładem jest chlorek żelaza, niezbędny do produkcji chlorku winylu, który z kolei jest substratem do produkcji poli(chlorku winylu) – oznaczanego skrótami PCW albo PVC. Ten polimer praktycznie każdy z nas ma w domu, czy to w postaci ram okiennych, czy rur ściekowych.
Kwasy i zasady
Wspomniałem już, że katalizatorem mogą być kwasy. Było to pewne uproszczenie ponieważ to właściwie jony wodorowe (a właściwie hydroniowe H3O+) pełnia wtedy rolę katalizatorów. Otrzymywanie pochodnych związków karbonylowych (czyli zawierających wiązanie C=O) jest bardzo często uzależnione od przyłączenia się protonu (jonu wodorowego) do tlenu, który zyskuje wtedy ładunek dodatni, co z kolei zmienia konfigurację cząsteczki, przyczyniając się do łatwiejszego przyłączenia do niej cząsteczki innego związku.
Wśród naszego przeglądu najbardziej znanych katalizatorów nie może zabraknąć także zasad, a dokładniej wodorotlenków sodu i potasu. Przykładem ich zastosowanie jest kataliza transestryfikacji tłuszczy, które w reakcji z metanolem tworzą estry metylowe kwasów tłuszczowych i glicerol. Ten ostatni spotkamy w praktycznie każdym kremie i maści, a te estry…? A to właśnie tak zwany biodiesel;)
Biokataliza
Wydawać by się mogło, ze kataliza to domena chemii przemysłowej, wielkoskalowych syntez i wielkotonażowego przetwórstwa. Nic bardziej mylnego. Kataliza to podstawa wszystkich procesów w przyrodzie, to właściwie podstawa życia! Katalizatory umożliwiają błyskawiczne zajście przygniatającej większości reakcji chemicznych zachodzących w żywych komórkach. Tam jednak katalizatorami nie są (zazwyczaj) metale lub proste kwasy i zasady. Żywe komórki aż kipią od różnorodnych biokatalizatorów, czyli ENZYMÓW. Te złożone strukturalnie i chemicznie białka mają niezwykłą wydajność a do tego charakteryzują się wyjątkową selektywnością. To ostatnie oznacza, że praktycznie eliminują postawanie produktów ubocznych czy innych niepożądanych produktów reakcji.
Co więcej enzymy są stworzone przez naturę do pracy w temperaturach bardzo nam przyjaznych, a więc w porównaniu do wielu katalizatorów nieorganicznych pozwalają uniknąć stosowania wysokich temperatur i ciśnień, a to pozwala redukować koszty procesu, w sytuacji, kiedy stosujemy enzymy w przemyśle.
[user:DrKjaergaard, Public domain, via Wikimedia Commons]
Inhibicja
Nim zakończymy naszą opowieść o katalizatorach należy jeszcze powiedzieć parę słów o inhibicji. Jest ona przeciwieństwem katalizy, czyli zjawiskiem polegającym na spowalnianiu reakcji chemicznych czy nawet ich praktycznym uniemożliwieniu. Związki chemiczne działające w ten sposób nazywamy inhibitorami.
Choć w wielu przypadkach są one substancjami niepożądanymi, to jednak znajdują wiele zastosowań praktycznych. Wiele konserwantów i związków ochronnych bazuje właśnie na działaniu inhibitorów, uniemożliwiających na przykład utlenianie produktów, ich hydrolizę (rozpad w obecności wody) czy inne niechciane przez nas procesy. Czasem więc chemicy dążą nie do tego, by jakiś proces przeprowadzić szybciej i jeszcze szybciej, ale właśnie wolniej… duuuużo wolniej….
Wojciech Smułek