触媒とは？触媒作用を理解する

化学と生物学では、触媒 それによって消費されることなく、化学反応の速度を増加させる物質です。 触媒作用 触媒を使って反応を早める方法です。 「触媒」という言葉はギリシャ語のkatalueinに由来します 、緩めるまたはほどくを意味します。イギリスの化学エリザベス・フルハムは、酸化還元反応に関する彼女の研究を説明した 1794 年の本で、触媒作用の概念を最初に説明しました。

• 触媒は反応の活性化エネルギーを下げ、反応を熱力学的に有利にして高速化します。
• 触媒は反応によって消費されません。それらは反応物であり生成物でもあります。
• 商業用化学製品製造の約 90% は触媒に依存しています。

触媒作用の仕組み

触媒作用は、活性化エネルギーが低い化学反応の別の経路です。反応の活性化エネルギーが低い場合、反応はより容易に、したがってより迅速に起こります。触媒は反応物に結合し、反応物分子間の衝突回数を増やし、反応を熱力学的に有利にします。触媒が酵素である場合、酵素は基質に結合し、触媒作用を引き起こします。触媒と反応物を結合させると、反応の温度が変化し、進行する能力が向上することがあります。触媒作用の中間段階で触媒が消費されることがありますが、後の段階では反応が完了する前に放出されます。

触媒は、正反応と逆反応の両方の反応速度に影響を与えるため、化学反応の平衡を変化させないことに注意してください。したがって、触媒は平衡定数または理論収量に影響を与えません。また、反応のギブズ自由エネルギーは変化しません。

触媒の例

• 酵素は、基質と反応して不安定な中間化合物を形成する生物学的触媒（タンパク質）です。中間体は不安定であるため、反応は酵素を使用しない場合よりも速く平衡に向かって進みます。たとえば、炭酸脱水酵素は、炭酸を水と二酸化炭素に変える反応を触媒する酵素です。
  H₂ CO₃ (aq) ⇆ H₂ O(l) + CO₂ (aq)
  この酵素は、二酸化炭素が血液から肺に拡散するのを助け、体が二酸化炭素を吐き出して除去します。
• 多くの触媒は遷移金属です。たとえば、プラチナは、一酸化炭素を二酸化炭素に変える自動車の触媒コンバーターの触媒です。優れた触媒となるその他の金属には、金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム (貴金属) があります。
• 過マンガン酸カリウムは、過酸化水素を水と酸素に分解する触媒として機能します。この場合、触媒は反応温度を変化させ (上昇させ)、反応速度を上げます。
• その他の一般的な触媒は、ゼオライト、グラファイト カーボン、アルミナです。

正および負の触媒 (阻害剤)

正の触媒は、反応の活性化エネルギーを低下させ、その速度を速めます。対照的に、負の触媒は反応をあまり好ましくなくし、その速度を遅くします。 IUPAC はこの用語を避けることを好み、「触媒」と「阻害剤」という用語の使用を推奨していることに注意してください。抑制剤の例は、過酸化水素の分解を遅らせる硫酸です。

触媒に関するその他の用語

• 前触媒 化学反応中に触媒に変換される物質です。
• プロモーター 触媒の活性を高める物質ですが、それ自体は触媒ではありません。プロモーターの別名は共触媒です .一部のプロモーターは、反応を妨害する物質を積極的に除去します。他のものは、触媒を分散させたり、触媒を試薬に結合させたりするのに役立ちます。
• 触媒毒 触媒を不活性化します。一部の阻害剤は可逆的に触媒を不活性化することに注意してください。触媒毒の作用は元に戻せません。

触媒ユニット

触媒作用には 3 つの一般的な単位があります。 SI 単位は katal であり、反応速度を 1 秒あたりのモル数で表す派生単位です。触媒の有効性を比較する場合、有効な単位はターンオーバー数 (TON) とターンオーバー頻度 (TOF) です。これは単位時間あたりの TON です。 TON と TOF は、反応における触媒のリサイクル率を表します。

触媒の種類と触媒作用

触媒作用には、均一系触媒作用と不均一系触媒作用の 2 つの広いカテゴリがあります。

• 不均一触媒 触媒反応とは異なる段階にあります。不均一触媒作用の例は、ゼオライトまたはアルミナのような固体触媒を使用して、液体および/または気体の混合物中で反応を触媒することです。膜結合酵素は、異種触媒のもう 1 つの例です。
• 均一触媒 化学反応物と同じ相です。可溶性酵素は均一系触媒の例です。

デモンストレーション:実際の触媒作用を見る

触媒作用の優れたデモンストレーションは、「象の歯磨き粉」反応です。古典的な反応では、ヨウ化カリウムが過酸化水素を水と酸素に分解する触媒です。子供向けのバージョンでは、酵母を触媒として使用し、過酸化物の濃度を低くしていますが、基本原理は同じです。通常、過酸化水素はゆっくりと分解するため、未開封で約 3 年間、ボトルのシールを破ってから最大 6 か月の保存期間があります。しかし、触媒の存在下では、反応は数秒しかかかりません。

「瓶の中の精霊」は、触媒に依存するデモンストレーションのもう 1 つの例です。この反応により、ボトルから出てくる魔神に似た蒸気の雲が生成されます。

参考文献

• IUPAC (1997)。 "触媒"。 化学用語集 （「ゴールドブック」）（第2版）。オックスフォード:Blackwell Scientific Publications。 doi:10.1351/goldbook.C00876
• レイドラー、キース J.;コーニッシュ-ボーデン、アセル (1997)。 「エリザベス・フルハムと触媒作用の発見：ブフナーの100年前」.コーニッシュ・ボーデン、アセル（編）。 古いボトルの新しいビール:Eduard Buchner と生化学的知識の成長 .バレンシア:バレンシア大学。 ISBN 9788437033280.
• レイドラー、K.J.; Meiser, J.H. （1982）。 物理化学 .ベンジャミン/カミングス。 ISBN 0-618-12341-5.
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