Katalyzátor (řecky καταλύτης, katalytēs) je v chemii látka, která snižuje aktivační energii chemické reakce (viz také katalýza), aniž by byla sama na konci chemické reakce změněna. Katalyzátory se účastní reakcí, ale nejsou ani reaktanty, ani produkty reakce, kterou katalyzují (podivnou „výjimkou“ je proces autokatalýzy). Fungují tak, že poskytují alternativní cestu pro reakci, čímž snižují aktivační energii a zvyšují reakční rychlost. Obecněji lze někdy nazvat cokoliv, co urychluje reakci, aniž by byla sama o sobě spotřebována nebo změněna, „katalyzátorem“ (například „katalyzátorem politické změny“).
Promotor je urychlovač katalýzy, ale ne katalyzátor sám o sobě. Inhibitor inhibuje činnost katalyzátoru.
Katalyzátory obvykle reagují s jedním nebo více reaktanty za vzniku chemického meziproduktu, který následně reaguje za vzniku konečného reakčního produktu, v procesu regenerace katalyzátoru. Následuje typické reakční schéma, kde C představuje katalyzátor, A a B jsou reaktanty, D je produkt reakce A a B:
Katalyzátor (C) je sice spotřebován reakcí 1, ale následně vzniká reakcí 4, takže pro celkovou reakci:
katalyzátor se nespotřebovává ani nevyrábí.
Katalyzátory a reakční energie
Generický graf znázorňující účinek katalyzátoru v hypotetické exotermické chemické reakci. Všimněte si, že katalyzovaná (červená) dráha, přestože má nižší aktivační energii, vytváří stejný konečný výsledek.
Katalyzátory pracují tak, že poskytují (alternativní) mechanismus zahrnující jiný přechodový stav a nižší aktivační energii. Důsledkem toho je, že více molekulárních kolizí má energii potřebnou k dosažení přechodového stavu. Katalyzátory tedy mohou provádět reakce, které, i když termodynamicky proveditelné, by bez přítomnosti katalyzátoru neběžely, nebo je provádět mnohem rychleji, specifičtěji nebo za nižších teplot. To lze pozorovat na Boltzmannově diagramu distribuce a energetického profilu. To znamená, že katalyzátory snižují množství energie potřebné k zahájení chemické reakce.
Katalyzátory nemohou umožnit energeticky nepříznivé reakce – nemají žádný vliv na chemickou rovnováhu reakce, protože rychlost dopředné i zpětné reakce je ovlivněna stejnou měrou (viz také termodynamika). Změna čisté volné energie reakce je stejná, ať už je katalyzátor použit nebo ne; katalyzátor jen usnadňuje jeho aktivaci.
Jednotkou odvozenou od SI pro měření katalytické aktivity katalyzátoru je katal, což jsou moly za sekundu. Stupeň aktivity katalyzátoru lze také popsat číslem obratu nebo TON a katalytickou účinností frekvencí obratu (TOF). Biochemickým ekvivalentem je enzymová jednotka.
Katalyzátory mohou být buď heterogenní, nebo homogenní. Biokatalýza je často vnímána jako samostatná skupina.
Heterogenní katalyzátory jsou přítomny v různých fázích od reaktantů (například tuhý katalyzátor v kapalné reakční směsi), zatímco homogenní katalyzátory jsou ve stejné fázi (například rozpuštěný katalyzátor v kapalné reakční směsi).
Jednoduchý model heterogenní katalýzy spočívá v tom, že katalyzátor poskytuje povrch, na kterém se reaktanty (nebo substráty) dočasně adsorbují. Vazby v substrátu se dostatečně oslabí, aby se vytvořily nové vazby. Vazby mezi produkty a katalyzátorem jsou slabší, takže se produkty uvolňují. Jsou známy různé možné mechanismy reakcí na povrchy v závislosti na tom, jak adsorpce probíhá (Langmuir-Hinshelwood a Eley-Rideal).
Například v Haberově procesu výroby amoniaku působí jemně dělené železo jako heterogenní katalyzátor. Aktivní místa na kovu umožňují částečné slabé navázání na plyny reaktantu, které jsou adsorbovány na kovový povrch. V důsledku toho je vazba uvnitř molekuly reaktantu oslabena a molekuly reaktantu jsou drženy v těsné blízkosti sebe. Tímto způsobem je obzvláště silná trojná vazba v dusíku oslabena a molekuly vodíku a dusíku jsou sblíženy více, než by tomu bylo v plynné fázi, takže rychlost reakce se zvyšuje.
Mezi další heterogenní katalyzátory patří oxid vanadu (V) v Kontaktním procesu, nikl při výrobě margarínu, oxidu hlinitého a oxidu křemičitého při krakování alkanů a platina rhodium palladium v katalyzátorech.
V homogenní katalýze je katalyzátorem molekula, která usnadňuje reakci. Reaktivant (reaktanty) se koordinuje (koordinují) s katalyzátorem (nebo naopak), jsou transformovány na produkt (produkty), které jsou pak uvolněny z katalyzátoru.
Příklady homogenních katalyzátorů jsou H+(aq), který působí jako katalyzátor při esterifikaci, a volné radikály chloru při rozpadu ozonu. Volné radikály chloru vznikají působením ultrafialového záření na chlorfluoruhlovodíky (CFC). Reagují s ozonem, přičemž vytvářejí molekuly kyslíku a regenerují volné radikály chloru:
V přírodě jsou enzymy katalyzátory v metabolické dráze. V biochemii je katalýza pozorována také u abzymů, ribozymů a deoxyribozymů. V biokatalýze se enzymy používají jako katalyzátor v organické chemii.
Katalyzátor může být otráven, pokud s ním reaguje jiná sloučenina a chemicky se váže (podobně jako inhibitor), ale neuvolňuje, nebo chemicky mění katalyzátor. To účinně ničí užitečnost katalyzátoru, protože se nemůže podílet na reakci, kterou měl katalyzovat.
Odhaduje se, že 60% všech komerčně vyráběných chemických produktů zahrnuje katalyzátory v určité fázi procesu jejich výroby.[1]
Mezi nejznámější katalyzátory, které byly kdy vyvinuty, patří:
Některé příklady (slavných) katalyzátorů, které provádějí specifické transformace na funkční skupiny:
Tyto uvedené příklady ukazují, že různé katalyzátory provádějí jiné transformace na stejných funkčních skupinách, kde by reakce neběžela, neběžela velmi pomalu nebo neběžela specifickým způsobem bez přítomnosti katalyzátoru
Nejúčinnějšími katalyzátory jsou obvykle přechodné kovy nebo komplexy přechodných kovů.