Hastigheten för kemiska reaktioner beror på ett antal faktorer, inklusive temperaturen eller koncentrationen av reaktanterna. Som det visar sig kan en liten tillsats av ett främmande ämne påverka reaktionens kinetik och därmed påskynda den avsevärt. Denna fråga är föremål för katalys. Det är nu av stor betydelse, särskilt inom den kemiska industrin. Många storskaliga tekniska processer skulle vara omöjliga utan katalysatorer. Dessutom spelar enzymer, som katalyserar biokemiska processer, en nyckelroll i livsprocesserna på jorden.
Katalys – vad är det och hur klassificeras det?
Katalys definieras som ett fenomen att öka hastigheten för en kemisk reaktion genom att använda ett ämne som varken är ett substrat eller en produkt av den omvandlingen. Ett sådant ämne kallas en katalysator. Grundläggande typer av katalys är följande:
- Homogen katalys – i denna typ av katalys är både substraten och katalysatorn i samma fysiska tillstånd. Oftast är det en flytande eller gasformig fas. I detta fall reagerar katalysatorn med ett av substraten och bildar ett instabilt intermediärt komplex, som i sin tur reagerar med den andra reaktanten. Som ett resultat bildas reaktionsprodukter och katalysatorn utvinns. Det bör noteras att inte alla reaktioner går på detta sätt. Faktum är att flerstegsprocesser är den vanligaste typen. Ett exempel på en homogen (eller enfas) reaktion är oxidationen av svavel(IV)oxid till svavel(VI)oxid. Alla komponenter, dvs substrat, katalysator och produkter, finns i gasfasen.
- Heterogen katalys – detta är den vanligaste typen av katalys, t.ex. i processer inom kemisk industri . Här är katalysatorn i ett annat fysiskt tillstånd än de andra reaktanterna. Det är vanligtvis en fast, eller så kallad ‘kontakt’. Substraten adsorberar på dess yta. Sedan reagerar katalysatorn med dem. De resulterande produkterna desorberar och lämnar kontaktytan, vilket ger plats för nästa substrat. Användningen av denna typ av katalys gör det möjligt att utföra till exempel reaktioner mellan gasformiga ämnen som normalt inte reagerar med varandra. Med tanke på att heterogen katalys är mycket viktig ur industriell synvinkel, är en av huvudfrågorna för katalys utvecklingen av katalysatorer gjorda av olika material och med former som ger största möjliga kontaktyta.
- Enzymkatalys – enzymer är, förutom fermentering, en grupp proteiner som är involverade i biokatalys av biosyntes och nedbrytningsreaktioner. Dessa processer äger rum i cellerna hos levande organismer och kroppsvätskor. Enzymer, precis som "klassiska" katalysatorer, sänker aktiveringsenergin för en biologisk reaktion. På sin yta har de så kallade aktiva centra. På grund av sin form och struktur är dessa centra endast kompatibla med specifika substrat. Följaktligen är selektiviteten för enzymer som katalysatorer 100 %. Dessutom kallas sådan katalys som nyckel- och låsmodellen. Efter bildandet av enzym-substratkomplexet lossas några av bindningarna och produkterna bildas. Enzymet frisätts sedan och återgår till sin ursprungliga form.
Autokatalys är ett intressant fenomen. Det uppstår när den resulterande produkten av en reaktion blir dess katalysator. Följaktligen, med tiden, fortskrider reaktionen snabbare och snabbare. Ett exempel på en autokatalytisk process är reaktionen av KMnO 4 med väteperoxid i en sur miljö. De joner som bildas (dvs. Mn 2+ ) fungerar som en katalysator för den ursprungliga reaktionen.
Katalysatorer
Katalysatorer är kemiska ämnen som, när de införs i ett reaktionssystem, påskyndar den kemiska reaktionen. Vad som är viktigt, de genomgår inte kemiska omvandlingar under reaktionen, och de återvinns i sin ursprungliga form när reaktionen är klar. Katalysatorn som tillsätts till reaktionssystemet bildar en instabil övergående bindning med substratet. Detta gör att aktiveringsenergin kan sänkas. Vad som är viktigt är att katalysatorn inte ingår i den stökiometriska ekvationen för hela processen. Dessutom är det inte ens med en katalysator möjligt att initiera en reaktion som inte är termodynamiskt genomförbar. För att en given kemisk reaktion ska inträffa under vissa förhållanden är det nödvändigt att tillhandahålla energi som är större än den erforderliga aktiveringsenergin. I detta fall är katalysatorns roll att minska mängden energi som krävs, så att reaktionen kan starta snabbare. Det är värt att komma ihåg att katalysatorn inte påverkar förskjutningen i jämviktstillståndet. Det påskyndar bara ögonblicket för sin prestation. Ju snabbare den gör detta, desto mer aktiv anses den vara. Katalysatoraktivitet definieras sålunda som skillnaden i hastigheten med vilken reaktionen når jämvikt i närvaro och frånvaro av katalysatorn. Ett annat kriterium som kännetecknar katalysatorer är deras selektivitet. Det definieras som förhållandet mellan mängden bildad produkt och den totala mängden av alla produkter som bildas under reaktionen. Ämnen som används som katalysatorer i industriella processer uppnår vanligtvis en selektivitet på 70 %till 90 %. I detta avseende är enzymer unika. Nivån av selektivitet de uppnår i biokemiska reaktioner når upp till 100%. 
Katalysens betydelse i industriella processer
För närvarande spelar katalys en nyckelroll i många processer, särskilt inom den kemiska industrin. Katalysatorer bidrar till en effektivare produktion av kemikalier, som i sin tur används till exempel vid framställning av gödningsmedel. Nedan presenteras tre exempel på processer inom kemisk industri som bygger på katalys. Dessa katalysatorer är bland de mest använda. Man ska dock komma ihåg att nya eller modifierade lösningar ständigt introduceras på marknaden och de lyckas successivt ersätta tidigare använda ämnen.
Salpetersyra (V) produktion
Produktionen av salpetersyra (V) består av flera på varandra följande steg. För det första är förbränning av ammoniak i syre till kväveoxid och vatten. För att öka processeffektiviteten utförs den med en katalysator, som är en legering av platina och rodium (93 %Pt och 7 %Rh). Denna legering används för att tillverka trådar från vilka speciella maskor vävs. Två eller tre maskor placeras i reaktorn, vinkelrätt mot flödet av de reagerande gaserna. Denna metod har dock vissa begränsningar. De rörliga gaserna orsakar friktion mot maskorna, vilket resulterar i deras nedbrytning och förlust av platina. Dessa förluster är särskilt märkbara i oxidationssektionen, där det är ökat tryck och hög temperatur. Dessutom är platinanät relativt känsliga för förgiftning orsakad av otillräcklig rening av reagerande gaser från störande ämnen, t.ex. svavel. Under den katalytiska oxidationen av ammoniak bildas dikväveoxid som en biprodukt. För närvarande finns lösningar som minskar dess utsläpp tillgängliga på marknaden. För detta ändamål används en oxidkatalysator baserad på aluminater nära Pt-Rh-legeringsnäten för högtemperatursönderdelning av dikväveoxid i lustgas. Ett karakteristiskt drag hos denna katalysator är dess höga selektivitet för nedbrytning i förhållande till N 2 O.
Oxidation av SO 2 till SO 3
Ett av de viktigaste stegen i den industriella produktionen av svavelsyra (VI) är oxidationen av svavel(IV)oxid till svavel(VI)oxid. Denna process utförs med hjälp av kontaktmetoden. Många ämnen kan fungera som en katalysator i denna oxidationsreaktion. De påskyndar reaktionerna i olika grad. Det har experimentellt bevisats att den högsta effektiviteten uppnås med vanadinkatalysatorer. De består av vanadin(V)oxid, som avsätts på ett underlag (vanligtvis kiseldioxid). Dessutom innehåller den även aktivatorer (natriumoxid eller kaliumoxid) och andra tillsatser som bland annat påverkar dess styrka vid höga temperaturer. Mängden vanadin(V)oxid i katalysatorn sträcker sig från 5 till 7 viktprocent. Den uppnår sin största effektivitet vid relativt höga temperaturer. På sin yta har vanadinkatalysatorn aktiva ställen där O 2- och SO 2 -molekylerna adsorberas. Där sker deras reaktioner, följt av desorption av de resulterande produkterna. Otillräcklig renhet hos de substrat som matas in i reaktorn kan resultera i katalysatorförgiftning, dvs. deaktivering av dess aktiva platser. I detta fall inkluderar gifterna klor, fluor och arsenik.
Ammoniakproduktion
En annan katalytisk process inom den kemiska industrin är syntesen av ammoniak . Själva processen är så långsam att det är nödvändigt att använda lämpliga kontakter. I detta fall är den mest gynnsamma katalysatorn järnaktiverad med en liten mängd aluminiumoxid och kaliumoxid. Den bildas genom att bränna järn i närvaro av syre och sedan smälta den resulterande Fe 3 O 4 med Al 2 O 3 och K 2 O. Legeringen (oftast) i form av granulat är en färdig katalysator. Som i andra processer orsakar järnkatalysatorn under ammoniaksyntesen absorptionen av väte och kväve vid dess aktiva ställen och desorptionen av de resulterande produkterna. Föreningar som ansvarar för nedbrytningen av järnkontakten är främst svavel, koldioxid och vattenånga.
