úvod
Peroxid vodíka z lekárničky sa rozkladá na vodu a kyslík tak pomaly, že vo fľaške vydrží celé mesiace. Stačí však pridať štipku čierneho prášku, burelu, a banka sa naplní bublinkami kyslíka. Po reakcii nájdeme na dne rovnaký burel ako na začiatku. V tejto lekcii zistíš, ako také látky fungujú, kde všade pracujú a ako sa dajú reakcie naopak spomaliť.
teória
Katalyzátor urýchli a nespotrebuje sa
Katalyzátor je látka, ktorá chemickú reakciu urýchli, ale sama sa pri nej nespotrebuje.
Keď po rozklade peroxidu burel (oxid manganičitý) odfiltrujeme, vysušíme a zvážime, má rovnakú hmotnosť ako na začiatku. Môžeme ho použiť znova a znova. Katalyzátor nie je reaktant ani produkt, preto ho v rovnici píšeme nad šípku:
2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂, nad šípkou MnO₂
Rozklad peroxidu urýchli aj jodid draselný v zubnej paste pre slona. Pri džinovi z fľaše prudký rozklad koncentrovaného peroxidu spustí manganistan draselný a teplo z reakcie premení vodu na oblak pary.
Katalyzátor nezmení, koľko produktu vznikne, ani to, či reakcia vôbec môže prebehnúť. Len skráti čas, za ktorý reakcia dobehne.
teória
Ako katalyzátor pracuje
Aby reakcia začala, musia sa častice zraziť dosť prudko, aby sa ich väzby začali štiepiť. Predstav si to ako kopec, cez ktorý musia reaktanty prejsť, kým sa z nich stanú produkty. Pri horení dreva nám cez kopec pomôže plameň zápalky, potom už reakcia uvoľňuje dosť tepla sama.
Katalyzátor otvorí reakcii inú cestu s nižším kopcom, podobne ako tunel cez horu. Začiatok aj cieľ ostanú rovnaké, len stúpanie je menšie. Cez nižší kopec sa pri rovnakej teplote dostane oveľa viac častíc, a tak reakcia beží rýchlejšie.
V diagrame je sivá prerušovaná krivka cesta bez katalyzátora a zelená cesta s katalyzátorom. Hladina reaktantov aj produktov sa nezmenila.
Výška kopca je aktivačná energia Eₐ, najmenšia energia, ktorú musia mať zrážajúce sa častice, aby zreagovali. Na vrchole kopca je aktivovaný komplex, nestály útvar, v ktorom sa staré väzby práve štiepia a nové tvoria. Katalyzátor sa s reaktantmi naviaže do medziproduktov, reakcia prebehne inými krokmi a ich aktivačná energia je nižšia. Na konci sa katalyzátor uvoľní nezmenený.
Katalyzátor nemení hladiny reaktantov a produktov, preto nemení reakčné teplo ΔH. Zníži kopec pre priamu aj spätnú reakciu rovnako, preto neposúva chemickú rovnováhu, len sa rovnováha ustáli skôr (pozri lekciu Chemická rovnováha). Zníženie aktivačnej energie rozkladu peroxidu zo 75 kJ/mol na 56 kJ/mol s jodidom ho pri izbovej teplote urýchli asi dvetisíckrát.
Pri homogénnej katalýze je katalyzátor v rovnakej fáze ako reaktanty, napríklad jodid rozpustený v roztoku peroxidu. Pri heterogénnej katalýze reagujú plyny alebo kvapaliny na povrchu tuhého katalyzátora, ako vo výfuku auta.
teória
Enzýmy
Katalyzátory v živých organizmoch sa volajú enzýmy. Väčšinou sú to bielkoviny a každý urýchľuje len jednu reakciu alebo niekoľko podobných, ako kľúč, ktorý pasuje len do jedného zámku.
- Amyláza v slinách štiepi škrob na cukor. Keď dlho žuješ kúsok chleba, začne byť sladký.
- Pepsín v žalúdku štiepi bielkoviny a lipáza tuky.
- Kataláza v krvi, v pečeni aj v zemiakoch rozkladá peroxid vodíka, ktorý vzniká v bunkách. Preto peroxid na odrenine šumí.
- Kvasinky vďaka svojim enzýmom menia cukor na alkohol a oxid uhličitý, ktorý nadýchne cesto.
- Enzýmy v pracích práškoch rozkladajú škvrny od bielkovín a tukov už pri nízkej teplote.
Pri vysokej teplote sa bielkovina enzýmu poškodí a enzým prestane pracovať. Kúsok surového zemiaka v peroxide vodíka šumí, uvarený nie, lebo varom sa kataláza zničila.
chémia v praxi
Katalyzátory v priemysle a v aute
Asi deväť z desiatich chemických výrob používa katalyzátor. Bez nich by reakcie prebiehali príliš pomaly alebo len pri veľmi vysokej teplote, ktorá stojí veľa energie.
- Amoniak na hnojivá sa vyrába z dusíka a vodíka na železnom katalyzátore.
- Kyselina dusičná vzniká z amoniaku na platinovej sieťke. Podobnú katalytickú oxidáciu amoniaku ukazujú amoniakové svetlušky.
- Kyselina sírová sa vyrába na katalyzátore z oxidu vanadičného.
- Margarín vzniká z rastlinných olejov stužovaním s niklom ako katalyzátorom.
- Rozžeravená medená špirála nad acetónom žiari ďalej bez plameňa, lebo na jej povrchu sa acetón oxiduje, ako ukazuje svietiaca meď.
Katalyzátor v aute je keramická voštinová vložka vo výfuku, potiahnutá tenkou vrstvou platiny, paládia a ródia. Na ich povrchu sa jedovatý oxid uhoľnatý mení na oxid uhličitý, oxidy dusíka na dusík a nespálené uhľovodíky na oxid uhličitý a vodu. Pracuje až zohriaty na niekoľko sto stupňov, preto auto na krátkych trasách znečisťuje vzduch viac.
teória
Inhibítory
Inhibítor je látka, ktorá chemickú reakciu spomalí alebo zastaví.
- Antioxidanty v potravinách, napríklad kyselina askorbová (vitamín C, E300), spomaľujú reakcie s kyslíkom. Rozkrojené jablko pokvapkané citrónom dlhšie nehnedne.
- Konzervačné látky, napríklad kyselina sorbová alebo benzoová, spomaľujú množenie baktérií a plesní, a tým kazenie potravín.
- Inhibítory korózie v chladiacej kvapaline auta alebo vo vode ústredného kúrenia chránia kov pred hrdzou.
- Stabilizátor v peroxide vodíka z lekárne spomaľuje jeho samovoľný rozklad, aby vydržal dlhšie.
- Mnohé lieky pôsobia ako inhibítory enzýmov. Napríklad kyselina acetylsalicylová, známa ako aspirín, brzdí enzým, ktorý v tele vyrába látky spôsobujúce bolesť a zápal.
Aj v hrách na portáli si môžeš za elektróny kúpiť Inhibítor. Ten nespomalí reakciu, ale zánik tvojej týždennej série: raz ju zachráni, keď jeden týždeň vynecháš.
teória
Vyskúšaj si energetický profil
vyskúšaj si
Energetický profil
Prepni na reakciu s katalyzátorom a sleduj diagram.
0 / 0- bez katalyzátora
Rozklad peroxidu vodíka
Katalyzátor: jodid draselný
Rýchlosť reakcie
Kopec je vysoký, prekoná ho len málo častíc. Reakcia beží veľmi pomaly.
Bez katalyzátora sa peroxid vo fľaške rozkladá celé mesiace. S jodidom draselným sa rozloží za pár sekúnd na penu plnú kyslíka, ako pri zubnej paste pre slona.
Prepni na reakciu s katalyzátorom a sleduj, čo sa v diagrame zmení a čo ostane na mieste. Potom odpovedz na otázku. Každé kolo má inú reakciu z laboratória, z priemyslu alebo z tela.
Pri rozklade peroxidu vodíka uvidíš aj aktivačné energie bez katalyzátora a s ním a odhad, koľkokrát sa reakcia pri 25 °C zrýchli. Všimni si, že šípka ΔH je v oboch prípadoch rovnako dlhá.
rozšírenie Katalyzátor, ktorý živí polovicu sveta
Rastliny potrebujú dusík, ale dusík zo vzduchu je taký stály, že ho väčšina rastlín nevie využiť. Nemecký chemik Fritz Haber v roku 1909 našiel spôsob, ako z dusíka a vodíka vyrobiť amoniak, a Carl Bosch ho premenil na obrovskú továreň. Kľúčom je katalyzátor zo železa, vysoký tlak a teplota okolo 450 °C.
Z amoniaku sa vyrábajú dusíkaté hnojivá. Odhaduje sa, že asi polovica dusíka v bielkovinách našich tiel prešla cez Haberovu a Boschovu syntézu. Haber dostal Nobelovu cenu v roku 1918 a Bosch v roku 1931. Ako presne sa dusík na povrchu železa štiepi, objasnil až Gerhard Ertl, ktorý za to získal Nobelovu cenu v roku 2007.
teória
Časté chyby
- „Katalyzátor sa pri reakcii spotrebuje.“ Do reakcie sa zapojí, ale na jej konci sa obnoví. Po reakcii ho je rovnako veľa.
- „S katalyzátorom vznikne viac produktu.“ Vznikne rovnako veľa, len skôr.
- „Katalyzátor reakciu zohreje.“ Nedodáva energiu, len zníži kopec, cez ktorý musia častice prejsť.
- „Enzýmy fungujú pri akejkoľvek teplote.“ Pri vysokej teplote sa poškodia a prestanú pracovať, preto uvarený zemiak peroxid nerozkladá.
- „Katalyzátor zmení reakčné teplo.“ ΔH je rozdiel hladín reaktantov a produktov a tie katalyzátor nemení.
- „Katalyzátor posunie rovnováhu k produktom.“ Zrýchli priamu aj spätnú reakciu rovnako, rovnováha sa len ustáli skôr.
Niektoré reakcie nedobehnú do konca, ale ustália sa v stave, keď reaktanty a produkty vznikajú rovnako rýchlo. O tom je ďalšia lekcia Chemická rovnováha.