Katalüsaator

Katalüsaator on keemiline aine (nii orgaaniline, kui anorgaaniline), mis muudab reaktsiooni kiirust, seda kiirendades. 

Tavaliselt on tegu väikese koguse lisaainega, mis võtab reaktsioonist osa alandades reaktsiooni aktivatsiooni energiat, kuid regenereerub ega esine produktide koostises. Katalüsaatori toimel katalüütilised reaktsioonid kiirenevad. Reaktsiooni aeglustab või takistab inhibiitor.

Termini kujunemine 
Termin tuleneb kreekakeelsest sõnast ,  ladinakeelse lõpuga.
Kata- "alla" või "täielikult", + lyein "lahti päästma", ehk ligilähedaselt "täielikult lahti päästma" või "vallandama".

1835. aastal võttis rootsi keemik Jöns Jakob Berzelius kasutusele termini katalüsaator. Nimelt uuris ta keemilisi aineid ning ka katalüütilisi protsesse ja aineid, mis osalesid katalüüsis muutumatul kujul – ta nimetas need ained katalüsaatoriteks.
1895. aastal õnnestus Wilhelm Ostwaldil defineerida ka tänapäeval kasutatav katalüsaatorite mõiste. Oma töö eest katalüüsi, keemilise tasakaalu ja reaktsioonikineetika vallas pälvis ta aastal 1909 Nobeli keemiaauhinna.

Ostwald defineeris katalüüsi kui aeglaselt kulgeva keemilise reaktsiooni kiirenemist aine (katalüsaatori) juuresolul, mis ei kuulu reaktsiooni saaduste ega lähteainete hulka. 
Nii defineerides juhtis ta tähelepanu asjaolule, et katalüsaator pole midagi sellist, mis käivitab muidu mittetoimuva reaktsiooni, vaid katalüsaator on miski, mis lihtsalt kiirendab muidu aeglaselt kulgevat reaktsiooni.
Lähtuvalt katalüüsi definitsioonist defineeris Ostwald katalüsaatorit kui mistahes ainet, mis ei esine reaktsiooni lõppsaaduste koostises, kuid muudab reaktsiooni kiirust.

Katalüsaator reaktsiooni kiiruse muutjana 

Katalüsaatori lisamine reaktsioonisegusse alandab reaktsiooni aktivatsioonienergiat, kuid ei muuda reaktsiooni keemilist tasakaalu, ehk tasakaalu konstanti. Reaktsioon küll kiireneb, kuid dünaamiline tasakaal jääb muutumatuks – reaktsiooni lähteainete ja saaduste suhe jääb samaks.

Graafikul on näidatud võrdlevalt reaktsiooni potentsiaalse energia muutus katalüsaatori osalusel (punasega) ja katalüsaatori puudumisel (mustaga). Võib näha, et katalüsaatori osalusel on toimuva reaktsiooni potentsiaalse energia maksimum palju madalam kui sama reaktsiooni toimumisel ilma katalüsaatorita. Katalüsaatori osalusel on reaktsiooni toimumiseks vajalik ületatav energiabarjäär väiksem.

Rakendused 
Enamasti peetakse katalüsaatori all silmas reaktsiooni kiirendavat ainet, kuid leidub ka katalüsaatoreid, mille toime on vastupidine – reaktsiooni aeglustav. Neid nimetatakse inhibiitoriteks.

Katalüsaator on homogeenne, kui ta on lähteainetega samas faasis (näiteks Br- vees), ja heterogeenne, kui on nendest erinevas faasis (näiteks metalne Pt).

Biokatalüsaatorid

Biokatalüsaatorid, mis kuuluvad orgaaniliste katalüsaatorite rühma, on ensüümid, aga ka mitmed looduses toimuvad protsessid ja nende allikad. Elusrakud sisaldavad eriliste omadustega suuri molekule ehk bioloogilisi katalüsaatoreid (paljud valgud), mida nimetatakse ensüümideks. Ensüümide reaktsioonid toimuvad aktiivtsentrites. Kui "võõrad" ainemolekulid satuvad ensüümide aktiivtsentrisse ja seonduvad sellega, siis lakkavad elusrakkudes ensüümaatilised reaktsioonid ning rakk "mürgitub" ehk hävib.

Katalüsaatorid ja keskkond
Inimtekkelised kemikaalid, nagu NO ja NO2 jpt, katalüüsivad osooni lagunemist.
Peter Atkins ja Loretta Jones on raamatu "Keemia alused. Teekond teadmiste juurde" 4. väljaande 694. leheküljel kirjutanud nii:

Katalüsaatorimürgid
Aktiivsuse kaotanud katalüsaatoreid nimetatakse mürgitunud katalüsaatoriteks. 
Katalüsaatorite reaktsioonide katkemist põhjustavad mitmed raskmetallid (plii), seetõttu soovitatakse katalüüsmuunduriga autodes kasutada pliivaba märgistusega kütust.

Polümerisatsiooni initsiaator vs. katalüsaator
Aineid, mis monomeeri keskkonnas moodustavad aktiivseid osakesi ja alustavad ahela kasvu reaktsiooni, nimetatakse initsiaatoriteks või katalüsaatoriteks.

Radikaalpolümerisatsiooni initsiaatoriteks on ained, mis kergesti moodustavad vabu radikaale. Iga moodustunud radikaal võib ühineda monomeeri molekuliga ja alustada üht reaktsiooniahelat, see on üht polümeerset molekuli. Seejuures initsiaatoriks olnud osake jääb seotuks ahela „algusega” ja ei osale järgnevates reaktsioonietappides. Initsiaator reaktsiooni käigus kasutatakse ära pöördumatult, kuid selle asemele tekib uus radikaal.

Ioonpolümerisatsiooni katalüsaatoriteks on ained, mis reaktsiooni keskkonnas moodustavad ioonipaare või oluliselt polariseeritud komplekse, mis alustavad polümerisatsiooniahelat. Need ioonipaarid või polaarsed molekulid (erinevalt vabadest radikaalidest) osalevad igas järgnevas ahela kasvu etapis, st elementaarreaktsioonis järgmise monomeeri molekuliga. Katalüsaatorit protsessi käigus ära ei kasutata ja see regenereerub.

Vaata ka
Ensüümid
Osoonikiht
Stratosfääri mudel
Montreali protokoll
Katalüüs
Katalüüsmuundur (katalüütiline konverter)
Heitgaas

Viited 
 

Keemilised ained
Ensüümid
Polümerisatsioon
Keemiline kineetika