Reagen
Katalisis (/kəˈtæləsɪsɪs/) adalah peningkatan laju reaksi kimia karena adanya zat tambahan yang dikenal sebagai katalis (/ˈkætəlɪst/). Katalis tidak dikonsumsi oleh reaksi dan tetap tidak berubah setelahnya, jika reaksi cepat dan katalis mendaur ulang dengan cepat, jumlah katalis yang sangat kecil sering kali sudah cukup, pencampuran, luas permukaan, dan suhu merupakan faktor penting dalam laju reaksi. Katalis umumnya bereaksi dengan satu atau lebih reaktan untuk membentuk zat antara yang kemudian menghasilkan produk reaksi akhir, dalam proses regenerasi katalis.
Peningkatan laju terjadi karena katalis memungkinkan reaksi terjadi dengan mekanisme alternatif yang mungkin jauh lebih cepat daripada mekanisme non-katalis. Namun mekanisme non-katalis tetap memungkinkan, sehingga laju total (katalis plus non-katalis) hanya dapat meningkat dengan adanya katalis dan tidak pernah berkurang. Katalisis dapat diklasifikasikan sebagai homogen, yang komponennya terdispersi dalam fase yang sama (biasanya gas atau cairan) dengan reaktan, atau heterogen, yang komponennya tidak dalam fase yang sama. Enzim dan biokatalis lainnya sering dianggap sebagai kategori ketiga.
Katalisis ada di mana-mana dalam semua jenis industri kimia. Diperkirakan 90% dari semua produk kimia yang diproduksi secara komersial melibatkan katalis pada tahap tertentu dalam proses pembuatannya.Istilah "katalis" berasal dari bahasa Yunani καταλύειν, kataluein, yang berarti "melonggarkan" atau "melepaskan". Konsep katalisis ditemukan oleh ahli kimia Elizabeth Fulhame, berdasarkan karya novelnya dalam eksperimen reduksi oksidasi.
Prinsip-prinsip umum
Contoh ilustrasi adalah efek katalis untuk mempercepat penguraian hidrogen peroksida menjadi air dan oksigen:
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Reaksi ini berlangsung karena produk reaksi lebih stabil daripada senyawa awal, tetapi penguraian ini sangat lambat sehingga larutan hidrogen peroksida tersedia secara komersial. Dengan adanya katalis seperti mangan dioksida, reaksi ini berlangsung lebih cepat. Efek ini dapat dilihat dari buih oksigen yang dihasilkan. Katalis tidak dikonsumsi dalam reaksi, dan dapat diperoleh kembali tanpa perubahan dan digunakan kembali tanpa batas waktu. Oleh karena itu, mangan dioksida dikatakan mengkatalisis reaksi ini. Pada organisme hidup, reaksi ini dikatalisis oleh enzim (protein yang berfungsi sebagai katalis) seperti katalase.
Satuan
Satuan turunan SI untuk mengukur aktivitas katalitik katalis adalah katal, yang dikuantifikasi dalam mol per detik. Produktivitas katalis dapat digambarkan dengan angka perputaran (atau TON) dan aktivitas katalitik dengan frekuensi perputaran (TOF), yaitu TON per unit waktu. Setara dengan biokimia adalah unit enzim. Untuk informasi lebih lanjut mengenai efisiensi katalisis enzimatik, lihat artikel tentang enzim.
Mekanisme reaksi katalitik
Pada umumnya, reaksi kimia terjadi lebih cepat dengan adanya katalis karena katalis memberikan mekanisme reaksi alternatif (jalur reaksi) yang memiliki energi aktivasi yang lebih rendah daripada mekanisme yang tidak dikatalisis. Pada mekanisme yang dikatalisis, katalis diregenerasi.
Sebagai contoh sederhana yang terjadi pada fase gas, reaksi 2 SO2 + O2 → 2 SO3 dapat dikatalisis dengan menambahkan oksida nitrat. Reaksi ini terjadi dalam dua langkah:
2 NO + O2 → 2 NO2 (menentukan laju)
NO2 + SO2 → NO + SO3 (cepat)
Katalis NO diregenerasi. Laju keseluruhan adalah laju langkah lambat
v = 2k1[NO]2[O2].
Contoh katalisis heterogen adalah reaksi oksigen dan hidrogen pada permukaan titanium dioksida (TiO2, atau titania) untuk menghasilkan air. Pemindaian mikroskop tunneling menunjukkan bahwa molekul-molekul tersebut mengalami adsorpsi dan disosiasi. Atom O dan H yang terdisosiasi dan terikat di permukaan berdifusi bersama. Keadaan reaksi antara adalah: HO2, H2O2, kemudian H3O2 dan produk reaksi (dimer molekul air), setelah itu molekul air terdesorpsi dari permukaan katalis.
Energi reaksi
Katalis memungkinkan jalur yang berbeda dari reaksi tanpa katalis. Jalur ini memiliki energi aktivasi yang lebih rendah. Akibatnya, lebih banyak tumbukan molekul yang memiliki energi yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan transisi. Oleh karena itu, katalis dapat memungkinkan reaksi yang seharusnya diblokir atau diperlambat oleh penghalang kinetik. Katalis dapat meningkatkan laju reaksi atau selektivitas, atau memungkinkan reaksi pada suhu yang lebih rendah. Efek ini dapat diilustrasikan dengan diagram profil energi.
Dalam reaksi elementer yang dikatalisis, katalis tidak mengubah tingkat reaksi: katalis tidak berpengaruh pada kesetimbangan kimiawi suatu reaksi. Rasio laju reaksi maju dan mundur tidak terpengaruh (lihat juga termodinamika). Hukum termodinamika kedua menjelaskan mengapa katalis tidak mengubah kesetimbangan kimia suatu reaksi. Misalkan ada katalis yang menggeser kesetimbangan. Memasukkan katalis ke dalam sistem akan menghasilkan reaksi yang berpindah ke kesetimbangan baru, menghasilkan energi.
Produksi energi adalah hasil yang diperlukan karena reaksi bersifat spontan hanya jika energi bebas Gibbs dihasilkan, dan jika tidak ada penghalang energi, tidak diperlukan katalis. Kemudian, menghilangkan katalis juga akan menghasilkan reaksi, menghasilkan energi; yaitu penambahan dan proses kebalikannya, penghilangan, akan menghasilkan energi. Dengan demikian, katalis yang dapat mengubah kesetimbangan akan menjadi mesin yang bergerak terus-menerus, yang bertentangan dengan hukum termodinamika. Dengan demikian, katalis tidak mengubah konstanta kesetimbangan. (Namun, katalis dapat mengubah konsentrasi kesetimbangan dengan bereaksi pada langkah berikutnya. Katalis ini kemudian dikonsumsi saat reaksi berlangsung, dan dengan demikian juga merupakan reaktan. Sebagai ilustrasi adalah hidrolisis ester yang dikatalisis oleh basa, di mana asam karboksilat yang dihasilkan segera bereaksi dengan katalis basa dan dengan demikian kesetimbangan reaksi bergeser ke arah hidrolisis).
Katalis menstabilkan keadaan transisi lebih dari sekadar menstabilkan bahan awal. Ini mengurangi penghalang kinetik dengan mengurangi perbedaan energi antara bahan awal dan keadaan transisi. Ini tidak mengubah perbedaan energi antara bahan awal dan produk (penghalang termodinamika), atau energi yang tersedia (ini disediakan oleh lingkungan sebagai panas atau cahaya).
Konsep terkait
Beberapa yang disebut katalis sebenarnya adalah prekatalis. Prekatalis berubah menjadi katalis dalam reaksi. Sebagai contoh, katalis Wilkinson, RhCl(PPh3)3, kehilangan satu ligan trifenilfosfina sebelum memasuki siklus katalitik yang sebenarnya. Prekatalis lebih mudah disimpan tetapi mudah diaktifkan di tempat. Karena langkah praaktivasi ini, banyak reaksi katalitik melibatkan periode induksi. Dalam katalisis kooperatif, spesies kimia yang meningkatkan aktivitas katalitik disebut kokatalis atau promotor.Dalam katalisis tandem, dua atau lebih katalis yang berbeda digabungkan dalam reaksi satu pot.
Dalam autokatalisis, katalis adalah produk dari keseluruhan reaksi, berbeda dengan semua jenis katalisis lainnya yang dibahas dalam artikel ini. Contoh paling sederhana dari autokatalisis adalah reaksi tipe A + B → 2 B, dalam satu atau beberapa langkah. Reaksi keseluruhan hanya A → B, sehingga B adalah produk. Tetapi karena B juga merupakan reaktan, maka B dapat hadir dalam persamaan laju dan mempengaruhi laju reaksi. Saat reaksi berlangsung, konsentrasi B meningkat dan dapat mempercepat reaksi sebagai katalis. Akibatnya, reaksi mempercepat dirinya sendiri atau autokatalisis. Contohnya adalah hidrolisis ester seperti aspirin menjadi asam karboksilat dan alkohol. Dengan tidak adanya katalis asam yang ditambahkan, produk asam karboksilat mengkatalisis hidrolisis.
Katalis sejati dapat bekerja bersama-sama dengan katalis korban. Katalis sejati dikonsumsi dalam reaksi elementer dan diubah menjadi bentuk yang dinonaktifkan. Katalis korban meregenerasi katalis sejati untuk siklus berikutnya. Katalis korban dikonsumsi dalam reaksi, dan dengan demikian, ini sebenarnya bukan katalis, tetapi reagen. Sebagai contoh, osmium tetroksida (OsO4) adalah pereaksi yang baik untuk dihidroksilasi, tetapi sangat beracun dan mahal. Dalam dihidroksilasi Upjohn, katalis pengorbanan N-methylmorpholine N-oxide (NMMO) meregenerasi OsO4, dan hanya jumlah katalitik OsO4 yang dibutuhkan.
Klasifikasi
Katalisis dapat diklasifikasikan sebagai homogen atau heterogen. Katalisis homogen adalah katalisis yang komponennya terdispersi dalam fase yang sama (biasanya gas atau cairan) dengan molekul reaktan. Katalisis heterogen adalah katalisis yang komponen reaksinya tidak berada dalam fase yang sama. Enzim dan biokatalis lainnya sering dianggap sebagai kategori ketiga. Prinsip-prinsip mekanistik yang sama berlaku untuk heterogen, homogen, dan biokatalisis.
Katalisis heterogen
Katalis heterogen bekerja dalam fase yang berbeda dari reaktan. Sebagian besar katalis heterogen adalah padatan yang bekerja pada substrat dalam campuran reaksi cair atau gas. Katalis heterogen yang penting termasuk zeolit, alumina, oksida tingkat tinggi, karbon grafit, oksida logam transisi, logam seperti nikel Raney untuk hidrogenasi, dan vanadium (V) oksida untuk oksidasi sulfur dioksida menjadi sulfur trioksida melalui proses kontak.
Mekanisme yang beragam untuk reaksi pada permukaan telah diketahui, tergantung pada bagaimana adsorpsi berlangsung (Langmuir-Hinshelwood, Eley-Rideal, dan Mars-van Krevelen). Luas permukaan total padatan memiliki efek penting pada laju reaksi. Semakin kecil ukuran partikel katalis, semakin besar luas permukaan untuk massa partikel tertentu.
Katalis heterogen memiliki situs aktif, yang merupakan atom atau permukaan kristal di mana substrat benar-benar berikatan. Situs aktif adalah atom tetapi sering digambarkan sebagai aspek (tepi, permukaan, langkah, dll.) dari suatu padatan. Sebagian besar volume tetapi juga sebagian besar permukaan katalis heterogen mungkin tidak aktif secara katalitik. Mencari tahu sifat situs aktif secara teknis menantang.
Sebagai contoh, katalis untuk proses Haber untuk sintesis amonia dari nitrogen dan hidrogen sering digambarkan sebagai besi. Namun, studi terperinci dan banyak optimasi telah menghasilkan katalis yang merupakan campuran besi-kalium-kalsium-aluminium-oksida. Gas-gas yang bereaksi teradsorpsi ke situs aktif pada partikel besi. Setelah teradsorpsi secara fisik, reagen-reagen tersebut terpisah sebagian atau seluruhnya dan membentuk ikatan baru. Dengan cara ini, ikatan rangkap tiga yang sangat kuat dalam nitrogen diputuskan, yang akan sangat jarang terjadi pada fase gas karena energi aktivasinya yang tinggi. Dengan demikian, energi aktivasi dari keseluruhan reaksi diturunkan, dan laju reaksi meningkat. Tempat lain di mana katalis heterogen diterapkan adalah dalam oksidasi sulfur dioksida pada vanadium (V) oksida untuk produksi asam sulfat. Banyak katalis heterogen yang sebenarnya adalah material nano.
Katalis heterogen biasanya "didukung", yang berarti bahwa katalis didispersikan pada bahan kedua yang meningkatkan efektivitas atau meminimalkan biayanya. Pendukung mencegah atau meminimalkan aglomerasi dan sintering partikel katalis kecil, mengekspos lebih banyak area permukaan, sehingga katalis memiliki aktivitas spesifik yang lebih tinggi (per gram) pada pendukung. Kadang-kadang penyangga hanya berupa permukaan tempat katalis disebarkan untuk meningkatkan luas permukaan.
Lebih sering, pendukung dan katalis berinteraksi, mempengaruhi reaksi katalitik. Pendukung juga dapat digunakan dalam sintesis nanopartikel dengan menyediakan tempat bagi molekul individu katalis untuk berikatan secara kimiawi. Pendukung adalah bahan berpori dengan luas permukaan yang tinggi, biasanya alumina, zeolit, atau berbagai jenis karbon aktif. Pendukung khusus termasuk silikon dioksida, titanium dioksida, kalsium karbonat, dan barium sulfat.
Elektrokatalis
Dalam konteks elektrokimia, khususnya dalam rekayasa sel bahan bakar, berbagai katalis yang mengandung logam digunakan untuk meningkatkan laju setengah reaksi yang membentuk sel bahan bakar. Salah satu jenis elektrokatalis sel bahan bakar yang umum didasarkan pada nanopartikel platina yang didukung oleh partikel karbon yang sedikit lebih besar. Ketika bersentuhan dengan salah satu elektroda dalam sel bahan bakar, platina ini meningkatkan laju reduksi oksigen menjadi air atau hidroksida atau hidrogen peroksida.
Katalisis homogen
Katalis homogen berfungsi dalam fase yang sama dengan reaktan. Biasanya katalis homogen dilarutkan dalam pelarut dengan substrat. Salah satu contoh katalisis homogen melibatkan pengaruh H+ pada esterifikasi asam karboksilat, seperti pembentukan metil asetat dari asam asetat dan metanol. Proses volume tinggi yang membutuhkan katalis homogen meliputi hidroformilasi, hidrosilasi, hidrosianasi. Bagi ahli kimia anorganik, katalisis homogen sering kali identik dengan katalis organologam. Namun, banyak katalis homogen yang tidak bersifat organologam, diilustrasikan dengan penggunaan garam kobalt yang mengkatalisis oksidasi p-xilena menjadi asam tereftalat.
Organokatalisis
Meskipun logam transisi terkadang menarik sebagian besar perhatian dalam studi katalisis, molekul organik kecil tanpa logam juga dapat menunjukkan sifat katalitik, seperti yang terlihat dari fakta bahwa banyak enzim tidak memiliki logam transisi. Biasanya, katalis organik membutuhkan pemuatan yang lebih tinggi (jumlah katalis per satuan jumlah reaktan, dinyatakan dalam mol% jumlah zat) daripada katalis berbasis logam transisi (-ion), tetapi katalis ini biasanya tersedia secara komersial dalam jumlah besar, sehingga membantu menurunkan biaya. Pada awal tahun 2000-an, organokatalis ini dianggap sebagai "generasi baru" dan bersaing dengan katalis yang mengandung logam (-ion) tradisional.
Organokatalis seharusnya beroperasi mirip dengan enzim bebas logam yang memanfaatkan, misalnya, interaksi non-kovalen seperti ikatan hidrogen. Disiplin organokatalisis dibagi menjadi penerapan organokatalis kovalen (misalnya, prolin, DMAP) dan non-kovalen (misalnya, organokatalisis tiourea) yang mengacu pada pengikatan dan interaksi katalis-substrat yang lebih disukai. Penghargaan Nobel Kimia 2021 diberikan secara bersama-sama kepada Benjamin List dan David W.C. MacMillan "untuk pengembangan organokatalisis asimetris."
Fotokatalis
Fotokatalisis adalah fenomena di mana katalis dapat menerima cahaya untuk menghasilkan keadaan tereksitasi yang mempengaruhi reaksi redoks. Oksigen tunggal biasanya diproduksi oleh fotokatalisis. Fotokatalis adalah komponen sel surya yang peka terhadap zat warna.
Enzim dan biokatalis
Dalam biologi, enzim adalah katalis berbasis protein dalam metabolisme dan katabolisme. Sebagian besar biokatalis adalah enzim, tetapi kelas biomolekul berbasis non-protein lainnya juga menunjukkan sifat katalitik termasuk ribozim dan deoksiribozim sintetis.
Biokatalis dapat dianggap sebagai perantara antara katalis homogen dan heterogen, meskipun sebenarnya enzim yang dapat larut adalah katalis homogen dan enzim yang terikat membran adalah heterogen. Beberapa faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim (dan katalis lainnya) termasuk suhu, pH, konsentrasi enzim, substrat, dan produk. Pereaksi yang sangat penting dalam reaksi enzimatik adalah air, yang merupakan produk dari banyak reaksi pembentukan ikatan dan reaktan dalam banyak proses pemutusan ikatan. Dalam biokatalisis, enzim digunakan untuk membuat banyak bahan kimia komoditas termasuk sirup jagung fruktosa tinggi dan akrilamida.
Beberapa antibodi monoklonal yang target pengikatannya adalah molekul stabil yang menyerupai keadaan transisi reaksi kimia dapat berfungsi sebagai katalisator lemah untuk reaksi kimia tersebut dengan menurunkan energi aktivasinya. Antibodi katalitik semacam itu kadang-kadang disebut "abzim".
Disadur dari: en.wikipedia.org