Katalyytti
Katalyytti on aine, joka nopeuttaa kemiallista reaktiota tietyssä lämpötilassa, kuitenkaan itse kulumatta reaktiossa. Se osallistuu kemialliseen reaktioon, mutta ei ole reaktion alku- tai lopputuote.
Katalyytit luovat reaktiolle vaihtoehtoisen reaktioreitin, jolla on pienempi aktivoitumisenergia. Aktivoitumisenergia on energia, joka vaaditaan, jotta reaktio voisi tapahtua. Katalyytti ei kuitenkaan voi aikaansaada reaktiota, joka ei tapahdu ilman katalyyttia. On kuitenkin huomattava, että on tilanteita, joissa ilman katalyyttia tapahtuva reaktio on niin hidas, ettei sen käytännössä voida katsoa tapahtuvan.
Katalyytti madaltaa kineettistä kynnystä madaltamalla energiaeroa lähtöaineiden ja siirtymävaiheen välillä. Se ei kuitenkaan madalla termodynaamista kynnystä, eli katalyytin käyttäminen reaktiossa ei muuta systeemin energian eroa alkuaineiden ja lopputuotteiden välillä.
Inhibiittori on katalyytin vastakohta eli se hidastaa kemiallisen reaktion kulkua. Inhibiittoreita ovat esimerkiksi säilöntäaineet ja korroosionestoaineet. Biologiassa inhibiittori on aine, joka estää entsyymin toiminnan.
Katalyyttien ansiosta reaktiot voivat tapahtua nopeammin ja matalammissa lämpötiloissa, koska ne aiheuttavat muutoksia reaktion kulkuun. Katalyyteillä onkin merkittävä rooli teollisuudessa, sillä niiden avulla reaktioita voidaan tehdä energiatehokkaammin. On arvioitu, että jopa 90% kemikaaleista on tuotettu jollakin katalyysiprosessilla.
Katalysoituja reaktioita suositaan ympäristöystävällisessä kemiassa, sillä katalyytin käyttäminen vähentää syntyvän hukkaosuuden määrää. Katalyytin avulla on mahdollista saavuttaa tilanne, jossa kaikesta lähtöaineesta saadaan reaktion seurauksena haluttua tuotetta tilanteissa, joissa ilman katalyyttia syntyisi myös muita yhdisteitä.
Katalyytit jaetaan homo- ja heterogeenisiin katalyytteihin. Näiden erona on, että homogeeninen katalyytti on samassa faasissa kuin reagoivat aineet. Heterogeeninen katalyytti puolestaan on eri faasissa kuin reagoivat aineet. On lisäksi huomioitava, että faasit eivät tässä tapauksessa rajoitu ainoastaan aineiden jakoon kiinteisiin, nestemäisiin ja kaasumaisiin aineisiin, vaan myös esimerkiksi sekoittumattomattomien nesteiden katsotaan olevan eri faasissa.
Homogeeniset katalyytit ovat samassa faasissa kuin reagoivat aineet. Homogeenisen katalyysin ongelmana on, että katalyytin ja reaktiotuotteiden saman faasin takia katalyyttiä on vaikea erottaa reaktiotuotteista. Homogeenisen katalyysin etuna kuitenkin on, että reaktiomekanismin säätely on hallittavissa paremmin kuin heterogeenisessa katalyysissa.
Tyypillisiä homogeenisesti katalysoituja reaktioita ovat happojen ja emästen katalysoimat reaktiot. On tyypillistä, että homogeeninen katalyysi tapahtuu nestefaasissa. On kuitenkin olemassa myös kaasufaasissa tapahtuvia katalyyseja.
Entsyymit ovat biologisia proteiinipohjaisia homogeenisiä katalyyttejä. Suurin osa biokatalyyteistä on entsyymejä, mutta on myös olemassa ei-proteiinipohjaisia biomolekyyliluokkia, joilla on katalyyttisiä ominaisuuksia.
Heterogeeninen katalyysi on teollisuudessa merkittävämpi. Suurin osa heterogeenisistä katalyyteistä on kiinteitä aineita ja reagoivat aineet kaasuja tai nesteitä. Heterogeenisten katalyyttien käytännöllisyys perustuu siihen, että ne ovat helppoja kierrättää, koska ne eivät sekoitu reagoivien aineiden kanssa.
Tyypillisesti heterogeeninen katalyysi koostuu seuraavista vaiheista:
Hyvän katalyytin pitää adsorboida reagoivia molekyylejä niin vahvasti, että ne reagoivat, mutta ei kuitenkaan niin vahvasti että molekyylit tarttuvat pysyvästi katalyytin pintaan. Hopea on esimerkki katalyytista, joka ei vuorovaikuta reagoivien aineiden kanssa tarpeeksi vahvasti ollakseen hyvä katalyytti, kun taas volframi adsorboi liian vahvasti. Esimerkiksi bensiinimoottoristen autojen pakokaasujen katalysaattorissa käytetään platinaa hapetusreaktioiden ja rodiumia pelkistysreaktioiden katalyyttinä.