Изворни код странице Катализа

[[Датотека:CatalysisScheme-en.svg|мини|300п|Дијаграм генерисане потенцијалне енергије који показује утицај катализатора на хипотетичку екзотермну реакцију]]
{{друго значење|аутомобилски „катализатор”|[[Каталитички конвертор]]}}

'''Катализа''' је процес повећања [[Брзина хемијске реакције|брзине]] [[хемијска реакција|хемијске реакције]] додавањем супстанце познате као ''катализатор''.<ref name="IUPACc">{{Cite book|title=IUPAC Compendium of Chemical Terminology|publisher=Blackwell Scientific Publications|year=2009|isbn=978-0-9678550-9-7|location=Oxford|chapter=Catalyst|doi=10.1351/goldbook.C00876|chapter-url=http://goldbook.iupac.org/C00876.html}}</ref><ref>Masel, Richard I.: {{cite book|title=Chemical Kinetics and Catalysis |location= |publisher= Wiley|year=2001|isbn=0-471-24197-0|pages= |last1=Masel |first1=Richard I. }}. Wiley-Interscience, New York. </ref> Другим речима, катализатор је [[хемија|хемијска]] [[хемијска супстанца|супстанција]], која се додаје реакционом систему да би убрзала [[хемијска реакција|реакцију]].<ref>{{Cite book |title=Principles of Chemical Kinetics, Second Edition |last= House|first=James E.|publisher= Academic Press |edition=2. |date=13. 9. 2007 |isbn=978-0-12-356787-1|pages=}}</ref><ref>{{Cite book |title=Chemical Kinetics and Dynamics |edition=2. |last1=Steinfeld|first1=Jeffrey I.|last2=Francisco|first2=Joseph S.|last3=Hase|first3=William L.|publisher=Prentice Hall |date=August 20, 1998 |isbn=978-0-13-737123-5|pages=}}</ref><ref>Masel, Richard I. “Chemical Kinetics and Catalysis” Wiley-Interscience. {{page1|publisher=|location=New York|year=2001|isbn=978-0-471-24197-3|pages=}}</ref> Катализатори се не троше у катализованој реакцији, али могу деловати више пута. Често су потребне само врло мале количине катализатора.<ref>[http://www.anl.gov/articles/7-things-you-may-not-know-about-catalysis 7 things you may not know about catalysis] Louise Lerner, [[Argonne National Laboratory]] (2011)</ref> Глобална потражња за катализаторима у 2010. процењена је на приближно 29,5 милијарди америчких долара.<ref>{{cite web | title = Market Report: Global Catalyst Market | edition = 2nd | publisher = Acmite Market Intelligence | url = http://www.acmite.com/market-reports/chemicals/global-catalyst-market-report.html }}</ref> 

== Техничка перспектива ==

У присуству катализатора, мање [[Термодинамичка слободна енергија | слободне енергије]] је неопходно да се постигне [[прелазно стање]], док се тотална слободна енергија од реактаната до производа не мења.<ref name="IUPACc" /> Катализатор може да учествује у вишеструким хемијским трансформацијама. Ефекат катализатора може да варира услед присуства других супстанци познатих као инхибитори или отрови (које редукују каталитичку активност), или промотори (који повећавају активност). Материја са супротним дејством од катализатора, супстанца која редукује брзину реакције, је [[инхибитор]].<ref name="IUPACc" />  

Катализоване реакције имају нижу [[енергија активације|енергију активације]] (слободну енергију активације која ограничава брзину) него кореспондирајуће некатализоване реакције, што доводи до већих брзина реакције на датој температури и концентрацијама реактаната. Међутим, детаљна механика катализе је комплексна. Катализатори могу повољно да утичу на реакционо окружење, или да вежу реагенсе и поларизују везе, нпр. [[Киселинска катализа|кисели катализатор]]и за реакције [[карбонил]]них једињења, или да формирају специфичне интермедијере који се природно не формирају, као што су осмијумски [[естар|естри]] у [[осмијум тетроксид]]ом катализованој [[дихидроксилација|дихидроксилацији]] [[Алкен (једињење)|алкен]]а, или да узрокују [[Дисоцијација (хемија)|дисоцијацију]] реагенаса до реактивних форми, као што је [[хемисорпција|хемисорбовани водоник]] и [[хидрогенација|каталитичкој хидрогенацији]].

[[Хемијска кинетика|Кинетички]], каталитичке реакције су типичне [[хемијска реакција|хемијске реакције]]; тј. брзина реакције зависи од учесталости контакта реактаната у кораку који одређује брзину. Обично, катализатор учествује у том најспоријем кораку, и брзине су ограничене количином катализатора и његовом „активношћу“. У [[хетерогена катализа|хетерогеној катализи]], дифузија реагенаса до површине и дифузија продуката са површине могу да одређују брзину. [[Катализатор базиран на наноматеријалу]] је пример хетерогеног катализатора. Аналогни догађаји везани за везивање [[супстрат (хемија)|супстрата]] и дисоцијацију продукта важе за хомогену катализу.

Мада се катализатори не троше у самој реакцији, може да дође до њихове инхибиције, деактивације, или уништења секундарним процесима. У хетерогеној катализи, типични секундарни процес је [[Кокс (гориво)|кокинг]], при коме катализатор постаје покривен [[полимер]]ним нуспродуктима. Додатно, може доћи до растварања хетерогених катализатора у систему са чврстом и течном фазом или [[сублимација (физика)|сублимације]] у чврстом-гасовитом систему.

== Залеђина ==

Продукција већине индустријски важнијих хемикалија обухвата катализаторе. Слично томе, већина биохемијски значајних процеса је катализована. Истраживање катализе је значајно поље [[примењена наука|примењене науке]] које обухвата многе области хемије, као што су [[органометална хемија]] и [[наука о материјалима]]. Катализа је релевантна за многе аспекте [[наука о животној средини|науке о животној средини]], -{e.g.}- за [[каталитички конвертер]] у аутомобилима и за динамику [[Оштећење озонског омотача|озонских рупа]]. Каталитичке реакције су преферентне у еколошки настројеној [[зелена хемија|зеленој хемији]], због умањених количина генерисаног отпада,<ref>{{cite web | title=The 12 Principles of Green Chemistry | work=[[Agencija za zaštitu životne sredine Sjedinjenih Država|United States Environmental Protection Agency]] | url=http://www.epa.gov/sciencematters/june2011/principles.htm | accessdate=2012-04-30}}</ref> за разлику од [[Стехиометрија|стехиометријских]] реакција у којима се сви реактанти конзумирају и више нуспроизвода се формира. Најзаступљенији катализатор је јон водоника (-{H}-<sup>+</sup>). Многи [[прелазни метал]]и и [[Комплекс (хемија)|комплекси]] прелазних метала се исто тако користе у катализи. Катализатори звани [[ензим]]и су важни у [[биологија|биологији]].

Катализатор делује путем пружања алтернативног реактивног пута до реакционог продукта. Брзина реакције се повећава пошто та алтернативна рута има нижу [[енергија активације|енергију активације]] од реакционог пута који није посредован катализатором. [[Диспропорционација|Диспропорционацијом]] [[водоник пероксид]]а креира се вода и [[кисеоник]], као што је приказано испод.
: -{2 H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>  →   2 H<sub>2</sub>O  +  O<sub>2</sub>}-

Ова реакција је преферентна у смислу да су реакциони продукти стабилнији од полазног материјала, мада је некатализована реакција спора. Заправо, декомпозиција водоник пероксида је толико спора да су водени раствори водоник пероксида комерцијално доступни. На ову реакцију моћно утичу катализатори као што је [[манган диоксид]], или ензим [[пероксидаза]] у организмима. Након адиције мале количине [[манган диоксид]]а, водоник пероксид брзо реагује. Тај ефекат се лако може запазити по отпуштању мехура кисеоника.<ref>{{cite web | publisher = University of Minnesota | title = Genie in a Bottle | url = http://www.chem.umn.edu/services/lecturedemo/info/genie.htm  | date = 2005-03-02}}</ref> Манган диоксид се не конзумира у реакцији, и може се повратити у непромењеном стању, и поновно користити.<ref>Richard I. Masel “Chemical Kinetics and Catalysis” Wiley-Interscience, New York. {{page|year=2001|isbn=0-471-24197-0|pages=}}.</ref>

== Општи принципи ==

Реакција без катализатора:
:<chem>A + B -> AB</chem>

Реакција са катализатором:
:<chem>A + B + K -> [ABK]</chem>
:<chem>[ABK] -> AB + K</chem>

Механизам деловања катализатора је такав да он смањује [[Енергија активације|енергију активације]] (енергију потребну довести споља систему да би дошло де реакције) градећи са реактантима прелазни комплекс (у датом примеру то би био нестабилни [ABK] комплекс) мањег енергетског садржаја него што је он за прелазни комплекс реактаната без везаног катализатора. Како је пут криве на одговарајућем енергетском дијаграму краћи и сама реакција је бржа иако ће енергија коначних производа бити иста за катализовану и за некатализовану реакцију.

Катализатор не утиче на положај повратне реакције, јер у истом степену убрзава реакцију у оба смера. Катализатор само убрзава постизање термодинамичке равнотеже. Катализатор може да повећа селективност реакције уколико убрзава стварање главног продукта, а не убрзава (или мање убрзава) споредне реакције. Иако учествује у хемијској реакцији, катализатор после завршене реакције остаје хемијски непромењен, али може доћи до физичке промене (нпр. промена агрегатног стања).

Посебно важна група катализатора су биокатализатори односно [[ензим]]и које катализују биохемијске реакције у организмима. Ензими су посебно ефикасни катализатори специфичног дејства. То значи да делују на тачно одређену супстанцу (супстрат), катализујући тачно одређену реакцију коју убрзавају и неколико хиљада пута.

Тврдња која се јавља у неким [[школа|школским]] уџбеницима да катализатор нема удео у [[хемијска реакција|хемијској реакцији]] је потпуно нетачна.

=== Јединице ===
Каталитичка активност се обично означава симболом -{''z''}-<ref>{{cite journal | last1 = Dybkaer | first1 = R. | year = 2001 | title = UNIT "KATAL" FOR CATALYTIC ACTIVITY (IUPAC Technical Report) | url = | journal = Pure Appl. Chem. | volume = 73 | issue = 6| page = 929 | doi=10.1351/pac200173060927}}</ref> и мери се у -{[[Mol (jedinica)|mol]]/s}-, јединици која се назива [[катал]] и чиме се дефинише СИ јединица за каталитичку активност од 1999. године. Каталитичка активност није тип реакционе брзине, него својство [[катализа]]тора под одређеним условима, у контексту специфичне [[хемијска реакција|хемијске реакције]]. Каталитичка активност од једног катала (Симбол 1 кат = 1 -{mol/s}-) катализатора означава количину катализатора (супстанце у [[Мол (јединица)|моловима]]) која доводи до нето реакције од једног мола у секунди реактанта, до резултујућег [[реагенс]]а, или другог исхода који се остварује том хемијском реакцијом. Катализатор може да и обично има различиту каталитичку активност за различите реакције. 

Постоје додатне изведене СИ јединице везане за каталитичку активност; погледајте горњу референцу за детаље.

=== Типични механизам ===
{{Маин|Каталитички циклис}}
Катализатори генерално реагују са једним или више реактаната и формирају [[Metabolički intermedijer|интермедијере]], који затим дају финалне реакционе продукте, чиме се регенерише катализатор. Ово је типична реакциона шема, где -{'''''C'''''}- представља катализатор, X у Y су реактанти, а -{Z}- је продукт реакције X и Y:
: -{X + '''''C''''' → X'''''C'''''}-  (1)
: -{Y + X'''''C''''' → XY'''''C'''''}- (2)
: -{XY'''''C''''' → '''''C'''''Z}- (3)
: -{'''''C'''''Z → '''''C''''' + Z}- (4)

Мада се катализатор конзумира у реакцији 1, он се накнадно формира у реакцији 4, тако да се не јавља у свеукупној реакционој једначини:
: -{X + Y → Z}-
Пошто је катализатор регенерисан у реакцији, често су само мале количине неопходне да би се повећала брзина реакције. У пракси, међутим, понекад долази до конзумирања катализатора у секундарним процесима.

Катализатор се обично не јавља у [[једначина брзине|једначини брзине]]. На пример, ако је [[Брзина хемијске реакције|корак који одређује брзину]] у горњој реакционој шеми први корак, -{X + C → XC}-, катализована реакција ће бити [[Ред реакције|другог реда]] са једначином брзине -{v = k<sub>cat</sub>[X][C]}-, која је пропорционална концентрацији катализатора [-{C}-]. Међутим [-{C}-] остаје константан током реакције тако да је катализована реакција [[Ред реакције|псеудо-првог реда]]: -{v = k<sub>obs</sub>[X]}-, где је -{k<sub>obs</sub> = k<sub>cat</sub>[C]}-.

Као један пример детаљног механизма на микроскопском нивоу, 2008. године су дански истраживачи први открили секвенцу догађаја кад се [[кисеоник]] и [[водоник]] комбинују на површини [[титанијум диоксид]]а (-{TiO}-<sub>2</sub>, или ''титанија'') да произведу воду. Помоћу серије успорених снимака [[Скенирајући тунелски микроскоп|сканирајућом тунелном микроскопијом]], они су одредили да молекули подлежу [[адсорпција|адсорпцији]], [[дисоцијација (хемија)|дисоцијацији]] и [[Дифузија|дифузији]] пре него што реагују. Интермедијарна реакциона стања су: -{HO<sub>2</sub>, H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>}-, затим -{H<sub>3</sub>O<sub>2</sub>}- и коначни реакциони продукт ([[Димер воде|димери молекула воде]]), након чега се молекул воде [[десорпција|десорбује]] из површине катализатора.<ref>{{cite news
| first = Mitch
| last = Jacoby
| date = 16 February 2009
| title = Making Water Step by Step
| newspaper = [[Chemical & Engineering News]]
| page = 10
| url = http://pubs.acs.org/cen/news/87/i07/8707notw6.html
}}</ref><ref>{{cite journal
| vauthors = Matthiesen J, Wendt S, ((Hansen JØ)), Madsen GK, Lira E, Galliker P, Vestergaard EK, Schaub R, Laegsgaard E, Hammer B, Besenbacher F
| year = 2009
| title = Observation of All the Intermediate Steps of a Chemical Reaction on an Oxide Surface by Scanning Tunneling Microscopy
| journal = ACS Nano
| volume = 3
| issue = 3
| pages = 517–526
| issn = 1520-605X
| doi = 10.1021/nn8008245
| pmid = 19309169
}}</ref>

=== Реакциона енергетика ===

Катализатори делују тако што пружају (алтернативни) механизам у коме се јавља различито [[прелазно стање]] и нижа [[енергија активације]]. Консеквентно, већи број молекулских колизија има неопходну енергију да досегне до прелазног стања. Катализатори могу да омогуће одвијање реакција које би иначе биле блокиране или успорене кинетичком баријером. Катализатор може да повећа брзину реакције или селективност, или да омогући одвијање реакције на нижим температура. Тај ефекат се може илустровати дијаграмом [[Енергетске промене у хемијским реакцијама|енергетског профила]].

У катализованој [[елементарна реакција|елементарној реакцији]], катализатори '''не''' мењају свеукупни принос реакције: они '''не''' утичу на [[хемијска равнотежа|хемијску равнотежу]] реакције, пошто у једнакој мери утичу на брзине директне и повратне реакције (погледајте исто тако [[термодинамика|термодинамику]]). [[Други принцип термодинамике|Други закон термодинамике]] описује зашто катализатор не мења хемијску равнотежу реакције. Претпоставимо да постоји такав катализатор који помера равнотежу. Увођење катализатора у систем би довело до померања реакције до нове равнотеже, чиме се производи енергија. Продукција енергије је неопходна пошто су реакције спонтане ако и само ако се ослобађа [[Гибсова слободна енергија]], а ако нема енергетске баријере, нема ни потребе за катализатором. Даље, уклањање катализатора такође може да доведе до реакције, производећи енергију; тј. адиција и њен реверзни процес, би обе производиле енергију. Стога, катализатор који мења равнотежу би био [[Перпетуум мобиле|машина перпетуалног кретања]], контрадикција законима термодинамике.<ref>{{cite book|author=A.J.B. Robertson |title=Catalysis of Gas Reactions by Metals |location= |publisher=|year=}}. Logos Press, London, 1970.</ref>

Ако катализатор мења равнотежу, онда се он мора конзумирати са током реакције, и стога је исто тако реактант. Илустрација тога је базом катализована [[хидролиза]][[естар|естара]], у којој произведена [[карбоксилна киселина]] одмах реагује са катализатором и стога се реакциона равнотежа помера ка хидролизи.

[[Изведене јединице СИ система|СИ изведена јединица]] за мерење '''каталитичке активности''' катализатора је [[катал]], тј. мол по секунди. Продуктивност катализатора се може описати [[број преокрета|бројем преокрета]] (-{TON}- - {{jez-eng|turn over number}}),<ref name="Hagen">{{ cite book |last=Hagen|first=J.|title=Industrial Catalysis: A Practical Approach |year=2006 |publisher=Wiley-VCH |location=Weinheim, Germany }}</ref> а каталитичка активност ''фреквенцијом преокрета'' (-{TOF}- - {{jez-eng|turn over frequency}}), која је -{TON}- по јединици времена. Биохемијски еквивалент је [[ензимска јединица]].<ref>{{cite journal |others= Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry (NC-IUB) |title=Units of Enzyme Activity |journal=Eur. J. Biochem. |volume=97 |pages=319–20 |year=1979 |url= |doi=10.1111/j.1432-1033.1979.tb13116.x |issue=2}}</ref> 

Катализатор стабилизује прелазно стање у већој мери него што стабилизује почетни материјал. Он снижава кинетичку баријеру снижавањем ''разлике'' енергије између почетног материјала и прелазног стања. Он '''не''' мења енергетску разлику између почетног материјала и продуката (термодинамичку баријеру), или доступну енергију (она долази из окружења у облику топлоте или светлости).

== Види још ==
* [[Аутокатализа]]

== Референце ==
{{референце}}

== Литература ==
{{Литература|30em}}
* {{Cite book |title=Principles of Chemical Kinetics, Second Edition |last= House|first=James E.|publisher= Academic Press |edition=2. |date=September 13, 2007 |isbn=978-0-12-356787-1|pages=}}
* {{Cite book |title=Chemical Kinetics and Dynamics |edition=2. |last1=Steinfeld|first1=Jeffrey I.|last2=Francisco|first2=Joseph S.|last3=Hase|first3=William L.|publisher=Prentice Hall |date=August 20, 1998 |isbn=978-0-13-737123-5|pages=}}
* B. Cornils, Wolfgang A. Herrmann, M. Muhler, C. Wong: {{cite book|title=Catalysis from A to Z: A Concise Encyclopedia. |location= |publisher= Wiley|year=2007|isbn=978-3-527-31438-6|pages= |last1=Cornils |first1=Boy }}. Verlag Wiley-VCH
*{{cite book|author= J. Hagen |title=Technische Katalyse. Eine Einführung. |location= |publisher=|year=1996|isbn=978-3-527-28723-9|pages=}}. Wiley-VCH
*{{cite book|author= Manfred Baerns |title=Basic Principles in Applied Catalysis. |location= |publisher=|year=2004|isbn=3-540-40261-6|pages=}}. Springer, Berlin 
* {{cite book|author=A. Behr|title=Angewandte homogene Katalyse.|publisher=Wiley-VCH Verlag|year=2008|isbn=978-3-527-31666-3|pages=}}
*{{cite book|author= D. Steinborn |title=Grundlagen der metallorganischen Komplexkatalyse. |location= |publisher=|year=2007|isbn=978-3-8351-0088-6|pages=}}. Vieweg+Teubner
* P. Kripylo, K.-P. Wendlandt, F. Vogt: {{cite book|author= |title=Heterogene Katalyse in der chemischen Technik. |location= |publisher= |year=1993|isbn=3-342-00666-8|pages=}}. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 
* {{cite book |author = Gabor A. Somorjai |title= Introduction to Surface Chemistry and Catalysis |url = https://archive.org/details/introductiontosu0000somo |publisher = Wiley |location = New York |year = 1994 |isbn = 0-471-03192-5 }}
* Gerhard Ertl, Helmut Knözinger, Ferdi Schüth, Jens Weitkamp: {{cite book|author= |title=Handbook of Heterogeneous Catalysis. |location= |publisher= |year=2008|isbn=978-3-527-31241-2|pages=}}. Wiley-VCH, Weinheim 
* Gerhard Ertl: [http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2007/ertl_lecture.pdf ''Reaktionen an Oberflächen: vom Atomaren zum Komplexen (Nobel-Vortrag).''] (englisch) (PDF-Datei; 666 kB)
* G. E. Jeromin, M. Bertau: {{cite book|title=Bioorganikum: Praktikum der Biokatalyse. |location= |publisher= Wiley|year=2005|isbn=3-527-31245-5|pages= |last1=Jeromin |first1=Günter E. |last2=Bertau |first2=Martin }}. Wiley-VCH. .
{{Литература крај}}

== Спољашње везе ==
* -{[http://scienceaid.co.uk/chemistry/inorganic/catalysis.html Science Aid: Catalysts] {{Wayback|url=http://scienceaid.co.uk/chemistry/inorganic/catalysis.html |date=20080530162951 }} Page for high school level science}-
* -{[http://aci.anorg.chemie.tu-muenchen.de/wah/vortraege/catalysis.pdf W.A. Herrmann Technische Universität presentation] {{Wayback|url=http://aci.anorg.chemie.tu-muenchen.de/wah/vortraege/catalysis.pdf |date=20051028140531 }}}-
* -{[http://www.tuat.ac.jp/~kameyama/ Alumite Catalyst, Kameyama-Sakurai Laboratory, Japan]}-
* -{[http://www.inorganic-chemistry-and-catalysis.eu/ Inorganic Chemistry and Catalysis Group, Utrecht University, The Netherlands]}-
* -{[http://www.biw.kuleuven.be/ifc/cok/home.htm Centre for Surface Chemistry and Catalysis] {{Wayback|url=http://www.biw.kuleuven.be/ifc/cok/home.htm |date=20081005045005 }}}-
* -{[http://www.udec.cl/~carbocat Carbons & Catalysts Group, University of Concepcion, Chile]}-
* -{[http://www.nsfcentc.org Center for Enabling New Technologies Through Catalysis, An NSF Center for Chemical Innovation, USA]}-
* -{[http://www.sciencenews.org/view/generic/id/42507/title/Bubbles_turn_on_chemical_catalysts "Bubbles turn on chemical catalysts"] {{Wayback|url=http://www.sciencenews.org/view/generic/id/42507/title/Bubbles_turn_on_chemical_catalysts |date=20120722092341 }}, Science News magazine online, April 6, 2009.}-

{{Реакциони механизми}}
{{подножје|Хемија}}

[[Категорија:Катализа| ]]
[[Категорија:Биохемија]]
[[Категорија:Процесне хемикалије]]