Ana içerik

Katalizör Türleri

Katalizör nedir? Enzim, asit baz katalizörleri ve heterojen katalizör örneklerini inceleyelim.

Önemli noktalar

Katalizörler, tepkimede kullanılmadan bir tepkimenin hızını arttıran maddelerdir.
Katalizörler tepkimeleri aktivasyon enerjisini düşürerek ya da tepkime mekanizmasını değiştirerek hızlandırırlar.
Enzimler, biyokimyasal tepkimelerde katalizör olarak görev yapan proteinlerdir.
Yaygın katalizör türleri arasında, enzimler, asit-baz katalizörleri ve heterejon (ya da yüzey) katalizörleri bulunur.

Giriş: Bir düşünce deneyi yapmak ister misiniz?

Beynimiz ihtiyacı olan enerjiyi, glikozun oksidasyonundan alır. Glikozun oksidasyon (yükseltgenme) tepkimesi aşağıdaki dengelenmiş kimyasal denklem ile ifade edilebilir.

start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript, left parenthesis, s, right parenthesis, plus, 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, right arrow, 6, start text, C, end text, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis, plus, 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, left parenthesis, l, right parenthesis, plus, ı, s, ı, delta, start text, G, end text, degrees, start text, end text, 25, degrees, start text, C, end text, prime, d, e, equals, minus, 2885, start fraction, start text, k, J, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, end fraction

Bu tepkime olmasaydı, kimya öğrenmek çok daha zor olurdu. Şansımıza, bu oksidasyon tepkimesi, 25, degrees, start text, C, end text'de, delta, start text, G, end text, degrees, is less than, 0 olduğu için gerçekleşebilir.

Bir deneme yapmak istemez misiniz? Üzüm gibi şekerli bir yiyecek bulun. Biraz oksijen gazı ekleyin (üzümü açıkta bırakabilirsiniz). Ne olacak dersiniz?

Isı enerjisi açığa çıktığını görüyor musunuz? Ya da su oluşumu beraberinde ufak çaplı bir karbon dioksit gazı patlaması?

Üzümde, birazcık kuruması dışında muhtemelen büyük bir değişim gözlemlemeyeceksiniz. Glikozun oksidasyonu termodinamik açıdan desteklenen bir tepkime olsa da, tepkime hızı oldukça yavaştır.

Bir tepkimenin hızı, aşağıdaki faktörlere bağlıdır:

Aktivasyon enerjisi
Sıcaklık: üzümü yeteri kadar yüksek bir sıcaklığa gelmesi için ısıtırsanız, üzümün alev aldığını ve oksitlendiğini görebilirsiniz

Bu iki faktör birbiriyle yakından ilişkilidir: bir tepkimenin sıcaklığını yükseltmek, tepkimeye giren moleküllerin kinetik enerjilerini yükseltir. Bu da, aktivasyon bariyerini aşmak için yeterli enerjiye sahip olmaları ihtimalini güçlendirir.

Peki vücudumuz, glikozun oksidasyonu ile ilgili bu pürüzü nasıl gideriyor? Vücut ısımızın 25, degrees, start text, C, end text'den çok da yüksek olmadığını düşünecek olursak, bu tepkime vücudumuzda sürekli olarak nasıl gerçekleşebilir?

Biyolojik sistemler, katalizörlerin yardımı ile oksidasyon tepkimelerinin hızını arttırarak, düşük sıcaklıklarda da daha hızlı gerçekleşmelerini sağlarlar. Bu makalede, katalizörlerin ne olduklarından ve farklı katalizör türlerinden bahsedeceğiz.

Katalizör nedir?

Katalizörler tepkime esnasında kullanılmadan, tepkimenin hızını arttırmak için eklenen maddelerdir. Çalışma prensipleri aşağıdaki gibi özetlenebilir:

Geçiş durumu enerjisini düşürerek, aktivasyon enerjisini düşürmek, ve/veya
Tepkime mekanizmasını değiştierek. Bu, aynı zamanda geçiş durumunun doğasını (ve enerjisini) değiştirir.

Katalizörler her yerde karşımıza çıkabilir! Glikozun oksidasyonu gibi birçok biyokimyasal süreç, ancak katalizör gibi davranan proteinlerin yani enzimlerin varlığında gerçekleşebilir.

Yaygın olarak görülen diğer katalizör türleri arasında, asit-baz katalizörleri ve heterojen (ya da yüzey) katalizörleri yer alır.

Örnek: Karbonik anhidraz

Karbonik anhidraz enzimi, karbon dioksit left parenthesis, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, right parenthesis ve suyun left parenthesis, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, right parenthesisbir araya gelerek karbonik asit oluşturduğu tepkimeyi katalizler. Vücudumuzdaki start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript konsantrasyonu çok yükseldiğinde, karbonik anhidraz aşağıdaki tepkimeyi katalizler:

start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, plus, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, right arrow, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, C, O, end text, start subscript, 3, end subscript

Enzim, kandaki ve dokulardaki karbonik asit konsantrasyonunu düzenleyerek, vücut start text, p, H, end text dengesini korur.

Karbonik anhidraz, bilinen en hızlı enzimlerden biridir. Tepkime hızı, saniyede 10, start superscript, 4, end superscript ile 10, start superscript, 6, end superscript tepkime arasında değişir. Bu hızın ne kadar yüksek olduğunu, katalizlenmemiş tepkimenin hızının saniyede ~0, point, 2 tepkime olduğunu düşünerek anlamak daha kolaydır. Katalizlenmiş tepkime, diğerinden ~10, start superscript, 5, end superscript, minus, 10, start superscript, 7, end superscript kat daha hızlıdır!

Aşağıdaki grafik, karbon dioksit ve suyun, karbonik asit oluşturmak için girdikleri tepkimenin enerji diyagramını göstermektedir. Katalizör eşliğindeki tepkime, mavi çizgi ile; katalizlenmemiş tepkime ise kırmızı çizgi ile gösterilmektedir.

Karbon dioksit ve suyun, karbonik asit oluşturmak için gidikleri tepkimenin enerji diyagramı. Katalizör eklenmesi (mavi çizgi) geçiş durumu enerjisini düşürüyor ancak, katalizlenmemiş tepkimeye göre (kırmızı çizgi) delta, start text, H, end text, start subscript, start text, t, e, p, end text, end subscript 'yi değiştirmiyor. Görsel from Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Katalizör, tepkimenin geçiş durumu enerjisini düşürür. Aktivasyon enerjisinin, geçiş durumu enerjisi ile tepkimeye giren maddelerin enerjisi arasındaki fark olduğunu düşünürsek, geçiş durumu enerjisinin düşmesi, aktivasyon enerjisini de düşürür.

[Tepkime hızı ile aktivasyon enerjisi arasında nasıl bir ilişki vardır?]

Tepkimeye giren maddelerin ve ürünlerin enerjilerinin, katalizlenmiş ve katalizlenmemiş tepkimeler için aynı olduğuna dikkatinizi çekmek istiyoruz. Bu da, tepkime esnasında açığa çıkan enerjinin ( delta, start text, H, end text, start subscript, start text, t, e, p, end text, end subscript), enzim eklenmesi durumunda değişmediği anlamına gelir. Ve son derece önemli bir noktaya parmak basmamızı sağlar: bir tepkimenin kinetiği (örneğin tepkime hızı) ile tepkimenin termodinamiği arasında doğrudan bir ilişki yoktur.

Asit-baz katalizi

Asit katalizinde, katalizör genellikle start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript iyonudur. Baz katalizinde ise, katalizör genellikle start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript iyonudur.

Asitle katalizlenebilecek tepkimelere örnek olarak, sofra şekeri olarak da bilinen sakaroz hidrolizini verebiliriz. Sakaroz, iki basit şeker (ya da monosakkarit) olan glikoz ile fruktozun bileşimidir. Sakaroz, bir asit ya da sükraz gibi bir enzim eşliğinde, aşağıdaki tepkimeler dizisinde de gösterildiği gibi, glikoz ve fruktoza parçalanabilir:

Birinci aşamada, sakaroz, kırmızı ile gösterilmiş start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript ile tersinir bir tepkimeye girerek, protonlu sakaroza dönüşür. Protonlu sakaroz, mavi ile gösterilmiş su ile tersinir bir tepkimeye girerek, start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript verir ve bir glikoz molekülü ile bir fruktoz molekülü elde edilir. Tepkime aşağıdaki gibi özetlenebilir:

\text{Sakaroz} + \text H_2 \text O \xrightarrow{\text{asit katalizör}} \text{Glikoz} + \text{Fruktoz}

start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, tepkimede, hem tepkimeye giren hem de ürün olarak aynı miktarda yer aldığı için, tepkime esnasında kullanılmaz. Bu sebeple, katalizörü tepkimenin tepkimeye girenler ya da ürünler taraflarında göstermeyiz.

Heterojen ve yüzey katalizi

Heterojen katalizörler, tepkimeye giren maddelerden farklı bir halde (fazda) bulunan katalizörlerdir Örneğin tepkimeye giren ürünlerin sıvı ya da gaz halinde olduğu bir tepkimede, katalizörün katı halde olması gibi.

[Tepkimeye giren maddelerle aynı halde (fazda) olan katalizörlere ne ad verilir?]

Heterojen katalizörlere örnek olarak, benzinli ve dizel motorlu araçlardaki katalitik konvertörleri verebiliriz. Katalitik konvertörler, katı haldeki bir destek üzerine gömülü geçiş metali katalizörleri içerirler. Katı haldeki katalizör, aracın egzos akıntısındaki gazlarla temas ettiğinde, tepkime hızlarını arttırarak, egzos akıntısındaki, karbon monoksit ya da yanmamış yakıt gibi kirleticilerden daha az zehirli ürünler elde edilmesini sağlar.

Katalitik konvertör, aynı zamanda bir yüzey katalizörüdür. Tepkimeye giren moleküller, katalizör ile tepkimeye girip, ürün oluşturmadan önce katı yüzey üzerinde toplanırlar. Katalizörün tepkimye giren maddeler ile temas içinde olan yüzey alanı arttıkça, yüzey katalizlenen bir tepkimenin hızı da artar. Bu sebeple, bir katalitik konvertörün içindeki katı destek, yüzey alanı büyük olacak şekilde tasarlanır. Bir peteğe benzeyen görüntüsünün sebebi de budur.

Heterojen ya da yüzey katalizine verilebilecek bir diğer örnek, polietilen gibi yaygın plastiklerin (ya da polimerlerin) üretim sürecidir. Burada kullanılan katalizörler, Ziegler-Natta katalizörleri olarak adlandırılır ve kullandığımız streç filmlerden, yoğurt kaplarına kadar bir sürü malzemenin üretiminde kullanılır. Geçiş metali katalizörleri, katı bir destek içine gömülüdür ve gaz ya da çözelti halinde olan başlangıç malzemeleri (ya da monomerler) ile tepkimeye girerler.

Polietilenin yapay eklemler için de kullanıldığını biliyor muydunuz? Burada gördüğünüz, yapay kalçadaki metal topuz eklemi, röntgende şeffaf olarak görülen polietilenden yapılmış bir yuvaya oturuyor. Görsel from Wikimedia Commons, public domain

Tepkimeye giren maddeler gaz halinde olsa da, ürün olarak elde edilen polimr genellikle katı haldedir. Ben bunun patlamış mısır yapmaya çok benzediğini düşünüyorum: henüz patlamamış mısırı, katı destek üzerindeki katalizör olarak ele alalım. Gaz halindeki monomerler tepkimeye girerek, katalizörün yüzeyinde birikmeye başlayan katı ürün polimerleri oluşturur ve sonuç olarak bir polimer "patlamış mısır" elde ederiz. Kimya, bir anlamda sihir yapmak gibi bir şey olarak da düşünülebilir.

Özet

Katalizörler, tepkimede kullanılmadan bir tepkimenin hızını arttıran maddelerdir.
Katalizörler tepkimeleri aktivasyon enerjisini düşürerek ya da tepkime mekanizmasını değiştirerek hızlandırırlar.
Enzimler, biyokimyasal tepkimelerde katalizör olarak görev yapan proteinlerdir.
Yaygın katalizör türleri arasında, enzimler, asit-baz katalizörleri ve heterejon (ya da yüzey) katalizörleri bulunur.
[Özellikler ve referanslar]

Sıralama ölçütü: