תוֹכֶן
בכימיה, א זרז הוא חומר שמזרז את קצב התגובה מבלי שהוא עצמו נצרך בתגובה. כל תגובה שעושה שימוש בזרז מכונה קטליזה. היזהר מהבחנה זו בעת קריאת חומר כימיה; זרז (רבים "זרזים") הוא חומר פיזי, אך קטליזה (רבים "מזרזת") היא תהליך.
סקירה כללית של כל אחד משיעורי הזרזים היא נקודת התחלה מועילה בלימוד הכימיה האנליטית והבנת מה שקורה ברמה המולקולרית כשמערבבים חומרים יחד ומתרחשת תגובה. זרזים והתגובות הקטליטיות הקשורות אליהם מגיעים בשלושה סוגים עיקריים: זרזים הומוגניים, זרזים הטרוגניים וביו-קטליסטים (נקראים בדרך כלל אנזימים). סוגים פחות נפוצים אך עדיין חשובים של פעילויות זרז כוללים פוטו-קטליזה, קטליזה סביבתית ותהליכים קטליטיים ירוקים.
מאפיינים כלליים של זרזים
מרבית הזרזים המוצקים הם מתכות (למשל פלטינה או ניקל) או מתכות כמעט (למשל, סיליקון, בור ואלומיניום) המחוברות לאלמנטים כמו חמצן וגופרית. זרזים הנמצאים בשלב הנוזל או הגז עשויים להיות מורכבים מאלמנט יחיד, אם כי הם עשויים להיות משולבים עם ממסים וחומר אחר, וניתן להפיץ זרזים מוצקים בתוך מטריצה מוצקה או נוזלית המכונה תומך זרז.
זרזים מזרזים את התגובות על ידי הורדת ה- אנרגיית הפעלה הא של תגובה שתמשיך ללא הזרז, אבל לאט לאט. לתגובות כאלה יש מוצר או מוצרים עם אנרגיה כוללת נמוכה יותר מזו של המגיב או המגיבים; אם זה לא היה המקרה, תגובות אלה לא היו מתרחשות ללא תוספת של אנרגיה חיצונית. אבל כדי להגיע ממצב האנרגיה הגבוהה יותר למצב האנרגיה הנמוך יותר, המוצרים חייבים "קודם להתגבר על הגבנון", שאותו "גבבן" הוא ה- Eא. קטליזטורים למעשה מחליקים את הבליטות בדרך האנרגיה התגובה בכך שמקל על המגיבים להגיע ל"שיפוע "האנרגיה של התגובה על ידי פשוט להוריד את הגובה של" ראש הגבעה ".
מערכות כימיות מציגות דוגמאות לזרזים חיוביים ושליליים, כאשר הראשונים נוטים להאיץ את קצב התגובה והזרזים השליליים משמשים להאטתם. שניהם יכולים להועיל, תלוי בתוצאה הספציפית הרצויה.
כימיה לזרז
הזרזנים מבצעים את עבודתם על ידי קשירה זמנית לשינוי כימי של אחד המגיבים או באופן שונה כימית ושינוי הקונפורמציה הפיזית שלו, או הצורה התלת מימדית, באופן שמקל על הפיכת המגיב או המגיבים לאחד התוצרים. דמיין שיש לך כלב שהתגלגל בבוץ וצריך להיות נקי לפני שהוא יכול להיכנס פנימה. הבוץ היה יורד מהכלב מעצמו בסופו של דבר, אבל אם היית יכול לעשות משהו שדרבן את הכלב לכיוון ממטרת החצר, כך שהבוץ יימרס מעל פרוותו במהירות, היית משמש למעשה כ"זרז " "התגובה של הכלב המלוכלך לכלב הנקי".
לרוב, מוצר ביניים שאינו מוצג בשום סיכום רגיל של התגובה נוצר מגיב והזרז, וכאשר מתחם זה הופך למוצר סופי אחד או יותר, הזרז מתחדש כאילו לא קרה דבר לאף אחד זה הכל. כפי שתראו בקרוב, תהליך זה יכול להתרחש במגוון דרכים.
קטליזה הומוגנית
נשקלת תגובה מזרז הומוגני כאשר הזרז והמגיב הם באותו מצב או שלב פיזי. זה קורה לרוב אצל זוגות מגיבים לזרזים מגזים. סוגים של זרזים הומוגניים כוללים חומצות אורגניות בהן אטום המימן הנתרם מוחלף על ידי מתכת, מספר תרכובות הממזגות יסודות פחמן ומתכת בצורה כלשהי, ותרכובות קרבוניל המחוברות לקובלט או לברזל.
דוגמה לסוג זה של קטליזה המערבת נוזלים היא המרת יוני פרסולפט ויוד ליון סולפט ויוד:
ס2הו82- + 2 אני- → 2 SO42- + אני2
תגובה זו תתקשה להתקדם בכוחות עצמה למרות האנרגטיקה החיובית, מכיוון ששני המגיבים טעונים באופן שלילי ולכן איכויותיהם האלקטרוסטטיות מנוגדות לתכונות הכימיות שלהם. אך אם להוסיף לתערובת יוני ברזל, הנושאים מטען חיובי, הברזל "מסיח את דעתו" את המטענים השליליים והתגובה נעה קדימה במהירות.
קטליזה הומוגנית גזי המתרחשת באופן טבעי היא המרת גז חמצן, או O2, באטמוספירה לאוזון, או O3, שם רדיקלי חמצן (O-) הם ביניים. כאן אור אולטרה סגול מהשמש הוא הזרז האמיתי, אך כל תרכובת פיזית שנמצאת נמצאת באותו מצב (גז).
קטליזה הטרוגנית
נשקלת תגובה מזרז בצורה הטרוגנית כאשר הזרז והמגיב נמצאים בשלבים שונים, כאשר התגובה מתרחשת בממשק ביניהם (לרוב, "הגבול" המוצק בגז). חלק מהזרזים ההטרוגניים הנפוצים יותר כוללים מוצקים אנאורגניים - כלומר לא מכילים פחמן - כמו מתכות יסודיות, סולפידים ומלחים מתכתיים, כמו גם התנפצות חומרים אורגניים, ביניהם הידרופרוקסידים ומחליפי יונים.
זאוליטים הם סוג חשוב של זרזים הטרוגניים. מדובר במוצקים גבישיים המורכבים מיחידות חוזרות של SiO4. יחידות של ארבע מהמולקולות המחוברות הללו קשורות זו לזו ויוצרות מבני טבעת וכלוב שונים. נוכחותו של אטום אלומיניום בקריסטל יוצרת חוסר איזון מטען, אשר מתקזז על ידי פרוטון (כלומר יון מימן).
אנזימים
אנזימים הם חלבונים המתפקדים כזרזים במערכות חיות. לאנזימים אלה יש רכיבים הנקראים אתרי קשירת מצע, או אתרים פעילים, בהם המולקולות המעורבות בתגובה תחת קטליזה נקשרות. החלקים המרכיבים של כל החלבונים הם חומצות אמינו, ולכל אחת מחומצות בודדות אלה חלוקת מטען לא אחידה מקצה לקצה. מאפיין זה הוא הסיבה העיקרית לכך שאנזימים בעלי יכולות קטליטיות.
האתר הפעיל באנזים משתלב עם החלק הנכון של המצע (מגיב) ולא כמו מפתח שנכנס למנעול. שימו לב שהזרזים שתוארו לעיתים קרובות מזרזים מגוון של תגובות שונות ומגוונות ולכן אין להם את מידת הספציפיות הכימית שעושה אנזימים.
באופן כללי, כשיש יותר מצע ויותר אנזים, התגובה תתקדם מהר יותר. אך אם מוסיפים עוד ועוד מצע מבלי להוסיף גם אנזים רב יותר, כל אתרי הכריכה האנזימטיים הופכים רוויים, והתגובה הגיעה לקצב המרבי של ריכוז האנזים ההוא. ניתן לייצג כל תגובה המנותזת על ידי אנזים במונחים של תוצרי הביניים שנוצרו בגלל נוכחות האנזים. כלומר, במקום לכתוב:
S → P
כדי להציג מצע שהופך למוצר, אתה יכול לתאר זאת כ:
E + S → ES → E + P
כאשר המונח האמצעי הוא מתחם האנזים-מצע (ES).
אנזימים, למרות שהם מסווגים כקטגוריה של זרז הנבדלים מאלו המפורטים לעיל, יכולים להיות הומוגניים או הטרוגניים.
אנזימים מתפקדים בצורה אופטימלית בטווח טמפרטורות צר, וזה הגיוני בהתחשב בכך שחום גופכם אינו משתנה ביותר מכמה מעלות בתנאים רגילים. חום קיצוני משמיד אנזימים רבים וגורם להם לאבד את צורתם התלת מימדית הספציפית, תהליך המכונה denaturering החל על כל החלבונים.