Yeryüzünde fark etsek de etmesek de sayamayacağımız kadar reaksiyon gerçekleşmektedir. Örneğin, vücudumuzda glikoz yıkıma uğrar ve karbon dioksit ile su oluşturur, bitki hücreleri tam tersini gerçekleştirip oksijen ve glikoz üretirken, dünyanın herhangi bir yerinde bir fabrikada azot ve hidrojen birleştirilerek amonyak üretimi yapılmaktadır vb. Tüm bu reaksiyonlar belirli kurallar çerçevesinde gerçekleşmektedir. Bu kurallardan ilki reaksiyonun istemliliğidir. İstemlilikten kasıt reaksiyon gerçekleştiğinde enerji açısından daha kararlı bir duruma geçiliyorsa eğer reaksiyon istemlidir. Ancak bir reaksiyonun gerçekleşmesi onun sadece enerji açısından istemliliğine bağlı değildir. Bir reaksiyon ne kadar istemli olursa olsun eğer yeterince hızlı değilse reaksiyonun istenilen miktarlarda gerçekleşmesi günler, aylar hatta yüzyıllar gerektirmektedir. Bugün hız açısından çok yavaş bir reaksiyonun nasıl katalizör aracılığı ile gerçekleştirilebileceğini inceleyeceğiz.
Bu incelemeye başlamadan önce reaksiyonların nasıl gerçekleştiğinin incelenmesi faydalı olacaktır. Örneğin A+B -> AB reaksiyonunu ele alalım. Bu reaksiyonun gerçekleşmesi için A ve B atom veya moleküllerinin çarpışmasının ve bu çarpışma anında yeni bağ oluşumu veya bağ değişimi ile ürünü yani AB’yi oluşturması gerekmektedir. Ancak her A ve B çarpıştığında reaksiyon gerçekleşmiş olsaydı reaksiyonlar çok kısa süreler içerisinde biter ve bazı istemli ve hızlı reaksiyonlar için saatlerce beklememize gerek kalmazdı. Saatlerce beklemek zorunda olduğumuza göre her çarpışma istenilen sonucu vermemekte veya AB’yi oluşturmamaktadır. Bunun nedeni ise A ve B’nin nasıl ve hangi enerji ile çarpıştıkları ile alakalıdır. Eğer A ve B doğru geometri ile birbirine yaklaşmaz ise çarpışma ürün vermeyecektir çünkü ancak doğru geometri ile bağ oluşumu, parçalanması gerçekleşebilir. Eğer A ve B doğru geometri ile yaklaşsa bile reaksiyon yine gerçekleşmeyebilir. Aslında bugün inceleyeceğimiz nokta tam burası çünkü reaksiyonun gerçekleşmesi için A ve B çarpıştığında belirli bir enerjinin üzerinde iseler reaksiyon gerçekleşmektedir. Bunu şu örnek ile ele alabiliriz. Bir zirveye doğru topu fırlattığınızda eğer gerekli enerjiyi vermediyseniz zirveye ulaşamaz ve geri döner ancak eğer gerekli enerjiyi verdiyseniz tepeye çıkacak ve duruma göre ya ileri gidecek ya da geri dönecektir. İşte bunun gibi reaksiyonların da gerçekleşmesi için ürünler bir enerji tepesine uygun geometri ile tırmanmak zorundadırlar. Bu şekilde (reaksiyonu gerçekleştirebilecek) yeterli enerji ve uygun geometri ile gerçekleşen çarpışmalar aktif çarpışma olarak adlandırılmaktadır. Ürünlerin enerji olarak ulaşması gereken bu tepe de aktivasyon enerjisi olarak adlandırılmaktadır. Aşağıdaki grafikte de görüldüğü gibi girenler (initial state olarak belirtilen) aktivasyon enerjisi veya onu geçecek kadar enerji ile çarpışırlar ise aktif kompleks (activated complex) dediğimiz kararsız geçiş formuna ulaşmış olurlar ve bu ara form da yeni bağ oluşumu, bağ kopması gibi düzenlenmeler ile ürünü oluşturmaktadır. Reaksiyonun hızını etkileyen nokta da bu aktivasyon enerjisidir çünkü aşılması gereken engel bu enerji bariyeridir. Eğer aktivasyon enerjisi çok büyük ise aktif çarpışma sayısı o kadar azalmaktadır ki reaksiyon istemli bile olsa istenilen veya beklenen ölçütlerde gerçekleşememektedir. Bu nedenden ötürü de reaksiyon yavaş olarak sınıflandırılmaktadır tıpkı hidrojen peroksidin bozunması gibi;
2 H2O2 (aq) -> 2 H2O(s) + O 2(g)
çünkü bu reaksiyonun aktivasyon enerjisi 76 kj/mol dür ve normal şartlarda hidrojen peroksidin bu bozunması çok yavaş bir reaksiyondur. Eğer çok yavaş bir reaksiyon olmamış olsa idi bugün hidrojen peroksit çözeltisi gibi bir kimyasaldan bahsedemezdik.
Ancak reaksiyonların yavaşlılığı aşılamaz bir engel değildir. Örneğin deneyde de yapacağımız gibi ortama iyodür iyonu koyduğumuzda reaksiyon hızlı bir şekilde gerçekleşmektedir çünkü çok az iyodür eklenmesi ile birlikte aktivasyon enerjisi 57 kj/mol e düşmektedir. Neden reaksiyon hızlanıyor sorusu bu enerji düşüşünde gizlidir. Aktivasyon enerjisi düşer ise aktivasyon enerjisini geçen çarpışma sayısı artmış olacak, kısaca aktif çarpışma sayısı artacaktır ve deneyde de göreceğimiz gibi reaksiyon hızı yaklaşık olarak 2000 kat artacaktır.
Peki, iyodür ne görev yapmaktadır?
Öncelik ile deneyde ne yapacağımıza göz atalım. Boya, deterjan ve hidrojen peroksidi karıştıracağız ve ortamda herhangi bir köpük varlığını gözlemleyemeyeceğiz. Daha sonra bu karışımın üzerine potasyum iyodür çözeltisi eklediğimizde ani bir köpük çıkışı ile karşı karşıya kalacağız. Kısacası hidrojen peroksidin bozunmasını hızlandırıp, çıkan oksijen ile köpük oluştururken, boya bu köpüğü boyayacaktır. Bilinmesi gereken bir nokta ise deney sonunda iyodür miktarında bir değişim olmayacaktır.
Reaksiyon iyodür eklendiğinde hızlanmıştır ve iyodür olduğu gibi kalmıştır veya herhangi bir değişime uğramamıştır. Yani, iyodür reaksiyonu katalizlemiştir çünkü katalizörler reaksiyonları hızlandırırken, reaksiyon sonunda kendilerinde bir değişim görülmez tıpkı iyodür örneğinde olduğu gibi.
Burada kullanılan iyodür homojen katalizör çünkü hidrojen peroksit ve iyodür suda çözünmüş olduklarından ikisi de “aqueous” (suda çözünmüş) fazındadırlar.
Katalizörler hakkında yanlış pek çok kanı bulunmaktadır. Bunlardan ilki katalizörlerin gerçekleşmeyecek reaksiyonları yani istemsiz reaksiyonları oldurabileceklerine dairdir. Katalizörler reaksiyonları olduramaz ancak reaksiyon hızını artırabilirler. Katalizörler reaksiyonları hızlandırırken, bunu reaksiyonun aktivasyon enerjisini azaltarak yaparlar. Bunu gerçekleştirmek için ise reaksiyon mekanizmasını değiştirirler ancak ana reaksiyon asla değişmez. İyodür bu reaksiyonun mekanizmasını aşağıdaki gibi değiştirmektedir;
H2O2 (aq) + I-(aq) -> OI-(aq) + H2O(l) Basamak 1
H2O2 (aq) + OI-(aq) -> I-(aq) + H2O(l) + O 2(g) Basamak 2
2 H2O2 (aq) -> 2 H2O(l) + O 2(g) Toplam
ve bu şekilde reaksiyonun aktivasyon enerjisi düşmektedir.
Bir diğer yanılgı ise “substrate” eklenmeye devam edildikçe katalizörlerin reaksiyon hızını sürekli artıracağına dairdir. Bu yargı yanlıştır çünkü katalizörler “substrate” miktarı arttıkça doygunluğa ulaşacak ve maksimum hız gibi bir limitle daima karşılaşılacaktır. Bunu yandaki grafikte gösterebiliriz. Görüldüğü üzere katalizörler de ancak belirli bir limite sahiptir.
Peki, katalizörler ne kadar hayatımızın içinde?
Daha önce de belirttiğimiz gibi katalizörler reaksiyonları hızlandırmak için gereklidirler. Kısacası hızlanması istenilen bir reaksiyon var ise katalizörün varlığı da kesindir. Eğer canlıları göz önüne alırsak, karşımıza reaksiyonlar ile yaşayan mekanizmalar çıkacaktır. Kısacası reaksiyonları gerçekleştiremez ise ölecek mekanizmalar var demektir. Balı örnek olarak aldığımızda da bu gerçek desteklenecektir çünkü bal üzerinde tek bir bakteri veya bir hücreli canlı grubu yaşayamamaktadır. Nedeni ise enzimatik aktivite eksikliği olarak açıklanmaktadır. Peki, enzimler nedir ve neden bu kadar önemlidirler?
Enzimler biyolojik katalizörlerdir. Hayatın devam ettirilebilmesi için olmazsa olmazlardır çünkü onların çalışmadığı zamanlarda vücut içerisinde herhangi bir reaksiyonun aksaması ile yaşam sona dahi erebilir tıpkı balın içerisinde hiçbir enzimin çalışmayıp, sonuç olarak herhangi bir bakteri veya bir hücreli canlının yaşayamaması gibi. Buradan çıkartacağımız sonuç ise katalizörler bizim vazgeçilmez parçalarımızdır çünkü yapım, yıkım olaylarının tamamında aktif rol almaktadırlar. Örneğin, vücudumuzda bulunan katalizörlerden birisi katalaz enzimidir. Katalaz, vücut içerisinde hidrojen peroksit bozunumunu için kullanılan bir enzimdir ve hatta katalizörler içerisinde en aktif olanlarındandır çünkü bir katalaz molekülü bir saniyede milyonlarca hidrojen peroksit molekülünü su ve oksijene çevirebilir. Potasyum iyodür ile denediğimiz reaksiyonu ezilmiş karaciğer parçası ile de denersek aynı sonucu verecektir çünkü karaciğer toksik moleküllerin parçalandığı kısacası katalazın en çok bulunduğu yerdir. Sonuç olarak şu soru sorulabilir; neden yapay katalizörlere ihtiyaç duyuyoruz eğer vücudumuzda var iseler?
İnsanoğlu yeryüzünde bulunmayan yani doğal olmayan pek çok molekülü sentezlemeye çalışmıştır veya bazı reaksiyonları gerçekleştirmek istemiştir. Bu reaksiyonlar ilk anda yeterince hızlı olmadığından dolayı da yapay katalizörler çok önem kazanmıştır çünkü ekonomik olarak yarar sağlaması bekleniyorsa veya fabrikasyona geçiş yapılacak ise reaksiyonun hızlı olması gerekmektedir. Bu nedenlerden ötürü yapay katalizörler türemiştir. Örneğin, etilen ve propilen kullanılarak gerçekleştirilen polimerler sentezleri Ziegler-Natta katalizörü ile katalizlenmektedir. Etilenden elde etilen polietilen polimeri ise her gün hayatımızın her aşamasında kullandığımız plastikten başka bir şey değildir. Bir diğer örnek ise doymamış yağların doyurulmasını sağlayarak, margarin üretimini mümkün kılan nikeldir. Nikel sayesinde yağlar hidrojen ile doyurulur ve margarin elde edilir. Sonuç olarak denilebilir ki katalizörler doğal veya yapay fark etmeksizin hayatımızın her parçasındadırlar.
