Οι περισσότεροι που έχουν ασχοληθεί με το μάθημα της Χημείας, έστω και στο απλούστερο επίπεδο, θα έχουν ακουστά τους καταλύτες.

Το κλασικό παράδειγμα που χρησιμοποιείται, είναι στη χρήση τους στα αυτοκίνητα, για την αντιμετώπιση της ρύπανσης του περιβάλλοντος, ή στην έκθεση, όταν λέμε ότι κάτι παίζει καταλυτικό ρόλο..😛 Ωστόσο, το σπουδαίο αυτό κεφάλαιο της Χημείας δεν λαμβάνει τη σημασία που θα έπρεπε.. Δεν ξέρω αν τα βιβλία Γυμνασίου-Λυκείου έχουν αλλάξει από τότε που πήγαινα εγώ σχολείο (γερασαμέεεεε!), άλλα τότε η κατάλυση και οι καταλύτες κάλυπταν, αν θυμάμαι καλά, 1 σελίδα του βιβλίου. Η κλασική αντιμετώπιση ήταν του στυλ «ε εδώ απλά να μάθετε την εφαρμογή τους στις εξατμίσεις των αυτοκινήτων, και να ξέρετε ότι χρησιμοποιείται το Ρόδιο και το Παλλάδιο».. Δεν κατηγορώ κάποιον καθηγητή για τον τρόπο διδασκαλίας (πέρα από το γεγονός ότι για πρώτη φορά ακούγαμε για αυτά τα δυο στοιχεία, κι όμως τα περάσαμε εντελώς μηχανικά), ωστόσο, αν ήμουν καθηγητής, μάλλον θα αφιέρωνα λίγο ακόμη χρόνο ώστε να δείξω και την χημική σημασία της διεργασίας.

O Wilhelm Ostwald, που το 1909 κέρδισε το βραβείο Nobel Χημείας για το έργο του στην κατάλυση. Περισσότερα σύντομα όταν και θα γράψω για τη βιογραφία του!

Να δώσω κι ένα πολύ απλό παράδειγμα για τη σημασία των καταλυτών;

Όπως ίσως γνωρίζετε, χρησιμοποιώντας καταλύτες, αυξάνουμε την ταχύτητα χημικών αντιδράσεων. Ξέρατε, όμως, ότι η αύξηση της ταχύτητας είναι συνήθως της τάξης του 1010; Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι, μια αντίδραση που με καταλύτη γίνεται σε 1 λεπτό, χωρίς τον καταλύτη θα έπρεπε να περιμένετε, να περιμένετε, να περιμένετε, να αφήσετε στους απογόνους σας τα δικαιώματα της αντίδρασης, και οι ίδιοι να ακολουθήσουν την ίδια διαδικασία, αφού τελικά η αντίδραση θα χρειαζόταν πάρα πολλά χρόνια μέχρι να ολοκληρωθεί!

Κι αφού τώρα (ελπίζω) σας απέδειξα πόσο πιο σπουδαία απ’όσο νομίζουμε είναι η χρήση των καταλυτών, ας αναφέρω και μερικούς «ορισμούς»!

Τι είναι Κατάλυση;

Κατάλυση, λοιπόν, είναι το φαινόμενο όπου, κάποιες ουσίες, οι λεγόμενοι καταλύτες, μεταβάλλουν το ρυθμό μιας χημικής αντιδρασης, κατά κανόνα αυξάνοντάς τον (ωστόσο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια ένωση για να σταματήσουμε το ρυθμό μιας αντίδρασης. Κάπως έτσι λειτουργούν αρκετά φάρμακα, σταματώντας με αυτόν τον τρόπο την ανάπτυξη μιας ασθένειας). Οι καταλύτες δεν καταναλώνονται σε μια αντίδραση, αλλά απλώς συμμετέχουν.

Η κατάλυση μειώνει το μέγιστο της ενέργειας που χρειάζεται για να γίνει μια αντίδραση (δηλαδή την Ενέργεια ενεργοποίησης). Έτσι η αντίδραση γίνεται πιο γρήγορα.

Η κατάλυση διακρίνεται στην ομογενή, όπου καταλύτης και αντιδρώντα βρίσκονται στην ίδια φάση (στερεό, υγρό ή αέριο), και στην ετερογενή, όπου βρισκονται σε διαφορετικές φάσεις.

Eφαρμογές της Κατάλυσης

Το ενδιαφέρον μέρος.😛 Και εδώ, το μέρος αυτό είναι τεράστιο, καθώς υπολογίζεται οτι το 90% των χημικών βιομηχανιών χρησιμοποιεί καταλύτες! Ορίστε οι σημαντικότερες εφαρμογές:

  • Αντιμετώπιση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης : το τυπικό παράδειγμα που ανέφερα και πιο πάνω.😛 Οι εξατμίσεις των αυτοκινήτων «βγάζουν» προς το περιβάλλον καποια τρομερά επικίνδυνα αέρια, όπως μονοξείδιο του άνθρακα ή μονοξείδιο του αζώτου (CO και NO αντίστοιχα). Έτσι, για να μην καταστρέψουμε το περιβάλλον και τον ίδιο τον άνθρωπο, πλέον χρησιμοποιούνται εξατμίσεις που αποτελούνται από Ρόδιο (Rh) και Παλλάδιο (Pd). Αυτά τα στοιχεία λειτουργούν ως καταλύτες, σε μια αντίδραση που μετατρέπει τα αέρια αυτά, σε (σχετικά) λιγότερο επικίνδυνα, δηλαδή άζωτο και διοξείδιο του άνθρακα:

2 CO + 2 NO → 2 CO2 + N2

  • Βελτίωση της ποιότητας παραδοσιακών καυσίμων και παραγωγή εναλλακτικών καυσίμων : Το πετρέλαιο θεωρείται πλεον ως το παραδοσιακό καύσιμο, αποτελούμενο από μακρές αλυσίδες υδρογονανθράκων. Οι καταλύτες βοηθούν στη διάσπαση αυτών των μακριών αλυσίδων, ώστε δίνονται προϊόντα όπως αλκάνια, αλκένια, αλκύνια, αρωματικές ενώσεις, κυκλοενώσεις κτλ. Έπειτα οι ενώσεις αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε ως καύσιμα οι ίδιες (βουτάνιο, αιθυλένιο) είτε για σχηματισμό βενζίνης υψηλών οκτανίων, ώστε το αρχικό καύσιμο βελτιώνεται. Ως προς τα εναλλακτικά καύσιμα, τόσο το βιοντίζελ,  όσο και η συνθετική βενζίνη απαιτούν καταλύτες για να παραχθούν.
  • Παρασκευή πολλών χρήσιμων χημικών ενώσεων : Μεθάνιο, Μεθανόλη, Αμμωνία, Νιτρικό οξύ, Θειικό οξύ, πολλά πολυμερή, ενώσεις δηλαδή που χρησιμοποιούνται σε τεράστιο βαθμό στη Χημεία, παράγονται με καταλυτική σύνθεση.
  • Στη Βιολογία : Τα ένζυμα είναι κι αυτά καταλύτες, αφού επιταχύνουν αντίδραση ή ομάδες αντιδράσεων. Πολλά ένζυμα είναι απολύτως εξειδικευμένα, αφού καταλύουν μόνο μία βιολογική αντίδραση. Μαλιστα η δραστικότητά τους είναι μεγαλύτερη από άλλους καταλύτες. Παράδειγμα αποτελεί η αντιδραση της διάσπασης του υπεροξειδίου του υδρογόνου (γνωστό ως οξυζενέ). Ένας απλός καταλύτης επιταχύνει την αντίδραση εκατό χιλιάδες φορές. Το αντίστοιχο όμως ένζυμο την επιταχύνει 1014 φορές!

Πώς δρουν οι καταλύτες;

Όπως προαναφέρθηκε, οι καταλύτες δεν καταναλώνονται στην αντίδραση. Παρ’όλα αυτά συμμετέχουν στην αντίδραση. Σχηματίζουν ενδιάμεσα με τα αντιδρώντα. Αυτά τα ενδιάμεσα έχουν τέτοια δομή, ώστε η αντίδραση ευνοείται στο να γίνει πιο γρήγορα. Επίσης, είναι αρκετά ασταθή. Έτσι, ο καταλύτης απελευθερώνεται εύκολα, και σχηματίζει το ίδιο ενδιάμεσο με ενα άλλο μόριο αντιδρώντος. Η διαδικασία συνεχίζεται όμοια, και τελικά, ένα μόριο καταλύτη «αντιδρά» με έναν τεράστιο αριθμό μορίων.

Δράση του καταλύτη (πράσινος) : Αρχικά σχηματίζει μαζί με τα αντιδρώντα (μωβ και κίτρινο) ένα ενδιάμεσο, και τελικά απελευθερώνεται για να χρησιμοποιηθεί σε άλλα μόρια αντιδρώντων

Ποια μόρια χρησιμοποιούνται ως καταλύτες;

Πολλές ουσίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Μπορεί να είναι απλά ιόντα, σύμπλοκα ιόντα, μεγάλα μόρια όπως ένζυμα, οξέα, βάσεις, ή ανόργανα στερεά (μέταλλα, οξείδια). Κάποιοι είναι εξειδικευμένοι για μια μόνο αντίδραση (όπως τα ένζυμα που αναφέρθηκαν παραπάνω), ενώ άλλοι επιταχύνουν περισσότερες αντιδράσεις.

Διάφοροι στερεοί καταλύτες

Γενικά, η Κατάλυση είναι ένα πολύ σπουδαίο τμήμα της Χημείας, με σημαντικές εφαρμογές και χρησιμότητα. Έτσι, πίσω από τα βασικά σημεία που ανέφερα, κρύβεται πολλή θεωρία και φυσικά πολλή χημεία!😀 Έτσι, αν υπάρχει οποιοδήποτε σημείο που κάποιος θα ήθελε να επεκταθώ, ευχαρίστως ας αφήσει σχόλιο και θα βάλω τα δυνατά μου.🙂

Βιβλιογραφία:

Α.Λυκουργιώτη, Χ.Κορδούλη «Κατάλυση», Εκδόσεις Πανεπιστημίου Πατρών, Πάτρα 2010