مقدمة في التحفيز
المصدر: مختبر الدكتور ريان ريتشاردز - كلية كولورادو للمناجم
يعد التحفيز من بين أهم مجالات التكنولوجيا الحديثة ويمثل حاليا ما يقرب من 35٪ من الناتج الم…
1. تحضير محلول 4-نيتروفينول ممزوج ببوروهيدريد الصوديوم
- يزن 14 مجم من 4-نيتروفينول ويذوب في 10 مل من ماء DI في قارورة زجاجية.
- يزن 57 مجم من بوروهيدريد الصوديوم ويذوب في 15 مل من ماء DI.
- امزج المحاللين وحركها المغناطيسي لمدة 30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة للحصول على محلول موحد. هناك حاجة إلى معطف المختبر ونظارات السلامة والقفازات كحماية بروتوكولية قياسية.
- تزن 10 ملغ من البلاديوم على الكربون النشط والبلاديوم على الكربون الحبيبي على التوالي. يزن 10 ملغ من الكربون النشط كمجموعة تحكم.
- انقل المحفزات الموزونة إلى قارورة وأضف 100 مل من ماء DI إلى كل قارورة.
- قم بتشغيل القوارير بقدرة خرج 135 واط لمدة 10 دقائق حتى يتم توزيع المحفزات جيدا في الماء.
3. الاختزال التحفيزي ل 4-Nitrophenol
- قم بقياس 1.15 مل من محلول 4-نيتروفينول وبوروهيدريد الصوديوم المحضر ، ثم انقله إلى قارورة زجاجية سعة 5 مل.
- سجل لون المحلول في القارورة ، وانتظر 10 دقائق وسجل إذا كان هناك أي تغيير في لون المحلول.
- أضف 1 مل من البلاديوم المحضر على محلول محفز الكربون النشط إلى القارورة ، ورج القارورة يدويا لمدة 20 ثانية. راقب التفاعل لمدة 20 دقيقة ، وسجل عندما يبدأ لون المحلول في التغيير وعندما يتلاشى لون المحلول تماما إلى شفاف.
- كرر نفس الإجراء مع البلاديوم على محلول محفز الكربون الحبيبي.
- كرر نفس الإجراء مع محلول محفز الكربون النشط.
- قارن تغير اللون بين ثلاثة محفزات بعد 0 و 5 و 10 و 15 و 20 دقيقة من وقت التفاعل. لتحديد هذا التغيير ، قم بقياس أطياف UV-Vis للعينة خلال فترة التفاعل البالغة 20 دقيقة.
المحفزات هي مواد تضاف إلى الأنظمة الكيميائية لتمكين التفاعلات الكيميائية من الحدوث بشكل أسرع ، باستخدام طاقة أقل.
يسمىالحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لبدء التفاعل طاقة التنشيط. توفر المحفزات مسار تفاعل بديل بطاقة تنشيط أقل ، مما يسمح بحدوث التفاعل في ظل ظروف أقل قسوة. يتم وصف طاقة التنشيط بواسطة معادلة أرهينيوس.
الإنزيمات هي جزيئات بيولوجية تتصرف كمحفزات محددة للغاية. الإنزيمات محددة الشكل ، وتوجه الجزيئات المتفاعلة ، التي تسمى الركائز ، إلى التكوين الأمثل للتفاعل. المحفزات المتجانسة في نفس مرحلة المواد المتفاعلة. في أغلب الأحيان ، يتم إذابة كل من المحفز والمواد المتفاعلة في الطور السائل. في التحفيز غير المتجانس ، يكون المحفز والمتفاعلات في مراحل مختلفة ، مفصولة بحدود طور. عادة ما تكون المحفزات غير المتجانسة صلبة وتتكون من كيان تحفيزي على نطاق نانو ، وعادة ما يكون جسيما نانويا معدنيا ، مشتتا على مادة داعمة.
تستخدممادة الدعم ، عادة الكربون أو السيليكا أو أكسيد المعدن ، لزيادة مساحة السطح وإضفاء الاستقرار ضد تراكم الجسيمات النانوية. الأغشية المسامية والخرز والشبكات والألواح المكدسة هي بعض الأشكال الهندسية الداعمة المستخدمة في التحفيز.
في التحفيز غير المتجانس ، يكون للجسيمات النانوية مواقع نشطة على السطح ، حيث يحدث التفاعل. اعتمادا على التفاعل ، يمكن أن تكون هذه المواقع النشطة وجوها مستوية أو حواف بلورية على سطح الجسيم. عادة ما يكون للجسيمات النانوية الأصغر نشاطا تحفيزيا أعلى ، بسبب ارتفاع كمية الذرات السطحية لكل مول من المحفز.
سيسلط هذا الفيديو الضوء على أساسيات التحفيز ، ويوضح كيفية إجراء تفاعل حفاز أساسي في المختبر.
هناك عدة أنواع من المحفزات. في درجة حرارة عالية ، تتحرك الجزيئات بشكل أسرع وتتصطدم بشكل متكرر. نظرا لأن نسبة الاصطدامات الجزيئية أعلى ، فإن المواد المتفاعلة لديها طاقة كافية للتغلب على طاقة تنشيط التفاعل. يوفر المحفز آلية تفاعل بديلة تزيد من نسبة الاصطدامات عند درجة حرارة منخفضة ، وبالتالي تقليل كمية الطاقة اللازمة لإكمال التفاعل. قد يشارك المحفز في تحولات كيميائية متعددة ، ومع ذلك فإنه لا يتغير عند الانتهاء من التفاعل ويمكن إعادة تدويره وإعادة استخدامه.
يبدأ التفاعل على سطح المحفز بامتصاص الكواشف إلى الموقع النشط ، يليه التفاعل على السطح. يمكن أن يحدث التفاعل السطحي بين نوع واحد ممتص وآخر بكميات كبيرة ، تسمى آلية Eley-Rideal ، أو بين نوعين ممتصين ، يطلق عليهما آلية Langmuir-Hinshelwood. ثم تمتص المنتجات من السطح إلى الجزء الأكبر.
الآن بعد أن فهمت أساسيات التحفيز ، دعنا نلقي نظرة على تقليل 4-نيتروفينول إلى 4-أمينوفينول باستخدام محفز البلاديوم المتاح تجاريا مدعوما بالكربون النشط الأرضي. سيتم قياس تقدم التفاعل باستخدام تغير اللون الذي يحدث أثناء التفاعل.
قبل البدء في التجربة ، تأكد من ارتداء معدات الحماية الشخصية المناسبة ، مثل معطف المختبر ونظارات السلامة والقفازات. لتحضير المواد ، قم أولا بوزن 14 مجم من 4-نيتروفينول وقم بإذابتها في 10 مل من الماء منزوع الأيونات في قارورة زجاجية لعمل محلول 10 ملم. بعد ذلك ، قم بوزن 57 مجم من بوروهيدريد الصوديوم وقم بإذابته في 15 مل من ماء DI لعمل محلول 100 ملليمتر. اخلطي الاثنين وقلبي في درجة حرارة الغرفة لتشكيل محلول موحد. يجب ألا يتغير لون المحلول ، حيث لا يمكن لبوروهيدريد الصوديوم تقليل 4-نيتروفينول بالكامل بدون المحفز. تزن 10 مجم من البلاديوم على الكربون النشط و 10 مجم من الكربون النشط بدون محفز كعينة تحكم.
انقل المحفزات الموزونة إلى قوارير منفصلة ، وأضف 100 مل من الماء منزوع الأيونات إلى كل منها. قم بتشغيل القوارير بطاقة خرج تبلغ 135 واط حتى يتم توزيع المحفزات جيدا في الماء.
الآن بعد أن تم تحضير المواد ، يمكن إجراء التخفيض التحفيزي ل 4-nitrophenol. قم بقياس 1.15 مل من محلول 4-نيتروفينول وبوروهيدريد الصوديوم المحضر ، وانقله إلى قارورة زجاجية سعة 5 مل.
راقب وسجل لون المحلول في القارورة. أضف 1 مل من البلاديوم المحضر على محلول محفز الكربون النشط إلى القارورة ، ورجه باليد للخلط.
راقب التفاعل لمدة 20 دقيقة ، وسجل عندما يبدأ لون المحلول في التغير ثم يتلاشى تماما. عندما يتلاشى كل اللون ، يكتمل التفاعل.
كرر نفس الإجراء لمحلول التحكم في الكربون النشط. مع تقدم التفاعل ، يتغير اللون من الأصفر إلى عديم اللون ، مما يشير إلى استهلاك 4-نيتروفينول. لتحديد هذا التغيير ، قم بقياس امتصاص الأشعة فوق البنفسجية للعينة عند 400 نانومتر.
ارسم السجل الطبيعي للامتصاص مقابل الوقت. ينخفض الامتصاص على مدار التفاعل ، مما يشير إلى استهلاك 4-نيتروفينول. لم تظهر عينة التحكم أي نشاط حفاز.
المحفزات لها أهمية حيوية لمجموعة واسعة من المجالات الصناعية والعلمية.
في وجود محفز البلاديوم ، تحدث تفاعلات اقتران الكربون والكربون ، والمعروفة باسم تفاعل هيك. يعتبر تفاعل هيك أول آلية صحيحة لتفاعلات الاقتران المحفزة بالمعادن الانتقالية. إنه ذو قيمة كبيرة للتحفيز الحديث لدرجة أن ريتشارد ف. هيك حصل على جائزة نوبل في الكيمياء لاكتشافه. يمكن إجراء تفاعل هيك باستخدام محفز البلاديوم ، كما هو موضح في هذه التجربة. هنا ، تم تصنيع المحفز في درجة حرارة الغرفة. بعد التفاعل ، تم تحليل المنتج باستخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، أو الرنين المغناطيسي النووي.
في الطبيعة ، الإنزيمات هي محفزات تمكن مجموعة واسعة من التفاعلات البيولوجية. على سبيل المثال ، أسيتات كيناز هو إنزيم موجود في الكائنات الحية الدقيقة يسهل التحويل القابل للعكس من الأسيتات إلى فوسفات الأسيتيل.
تم قياس نشاط الإنزيم باستخدام القياس الطيفي للأشعة فوق البنفسجية والبصرية ، مع منحنى قياسي.
تمت مراقبة كمية فوسفات الأسيتيل المستهلكة طوال التفاعل ، وتم رسم حركية الإنزيم كدالة للوقت.
البوليمرات هي مجال آخر يمكنه الاستفادة من التحفيز. هنا ، تم تصنيع جزيئات البوليمر على شكل نجمة.
أولا ، تم تحضير المحفز وتجفيفه في درجة حرارة الغرفة. ثم تم خلط فروع البوليمر مع المحفز ، ثم تمت إضافة رابط متقاطع لتشكيل الجسيمات.
ثم تم تحليل حجم الجسيمات باستخدام كروماتوغرافيا نفاذية الهلام. تستخدم الجسيمات النانوية البوليمرية ، مثل البوليمرات النجمية المصنعة في هذا المثال ، في مجموعة واسعة من التطبيقات مثل توصيل الأدوية والتجميع الذاتي.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للتحفيز. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن تفهم مفهوم التحفيز وكيفية تشغيل رد فعل بسيط في المختبر.
شكرا للمشاهدة!
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
المحفزات هي مواد تضاف إلى الأنظمة الكيميائية لتمكين التفاعلات الكيميائية من الحدوث بشكل أسرع ، باستخدام طاقة أقل.
يسمىالحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لبدء التفاعل طاقة التنشيط. توفر المحفزات مسار تفاعل بديل بطاقة تنشيط أقل ، مما يسمح بحدوث التفاعل في ظل ظروف أقل قسوة. يتم وصف طاقة التنشيط بواسطة معادلة أرهينيوس.
الإنزيمات هي جزيئات بيولوجية تتصرف كمحفزات محددة للغاية. الإنزيمات محددة الشكل ، وتوجه الجزيئات المتفاعلة ، التي تسمى الركائز ، إلى التكوين الأمثل للتفاعل. المحفزات المتجانسة في نفس مرحلة المواد المتفاعلة. في أغلب الأحيان ، يتم إذابة كل من المحفز والمواد المتفاعلة في الطور السائل. في التحفيز غير المتجانس ، يكون المحفز والمتفاعلات في مراحل مختلفة ، مفصولة بحدود طور. عادة ما تكون المحفزات غير المتجانسة صلبة وتتكون من كيان تحفيزي على نطاق نانو ، وعادة ما يكون جسيما نانويا معدنيا ، مشتتا على مادة داعمة.
تستخدممادة الدعم ، عادة الكربون أو السيليكا أو أكسيد المعدن ، لزيادة مساحة السطح وإضفاء الاستقرار ضد تراكم الجسيمات النانوية. الأغشية المسامية والخرز والشبكات والألواح المكدسة هي بعض الأشكال الهندسية الداعمة المستخدمة في التحفيز.
في التحفيز غير المتجانس ، يكون للجسيمات النانوية مواقع نشطة على السطح ، حيث يحدث التفاعل. اعتمادا على التفاعل ، يمكن أن تكون هذه المواقع النشطة وجوها مستوية أو حواف بلورية على سطح الجسيم. عادة ما يكون للجسيمات النانوية الأصغر نشاطا تحفيزيا أعلى ، بسبب ارتفاع كمية الذرات السطحية لكل مول من المحفز.
سيسلط هذا الفيديو الضوء على أساسيات التحفيز ، ويوضح كيفية إجراء تفاعل حفاز أساسي في المختبر.
هناك عدة أنواع من المحفزات. في درجة حرارة عالية ، تتحرك الجزيئات بشكل أسرع وتتصطدم بشكل متكرر. نظرا لأن نسبة الاصطدامات الجزيئية أعلى ، فإن المواد المتفاعلة لديها طاقة كافية للتغلب على طاقة تنشيط التفاعل. يوفر المحفز آلية تفاعل بديلة تزيد من نسبة الاصطدامات عند درجة حرارة منخفضة ، وبالتالي تقليل كمية الطاقة اللازمة لإكمال التفاعل. قد يشارك المحفز في تحولات كيميائية متعددة ، ومع ذلك فإنه لا يتغير عند الانتهاء من التفاعل ويمكن إعادة تدويره وإعادة استخدامه.
يبدأ التفاعل على سطح المحفز بامتصاص الكواشف إلى الموقع النشط ، يليه التفاعل على السطح. يمكن أن يحدث التفاعل السطحي بين نوع واحد ممتص وآخر بكميات كبيرة ، تسمى آلية Eley-Rideal ، أو بين نوعين ممتصين ، يطلق عليهما آلية Langmuir-Hinshelwood. ثم تمتص المنتجات من السطح إلى الجزء الأكبر.
الآن بعد أن فهمت أساسيات التحفيز ، دعنا نلقي نظرة على تقليل 4-نيتروفينول إلى 4-أمينوفينول باستخدام محفز البلاديوم المتاح تجاريا مدعوما بالكربون النشط الأرضي. سيتم قياس تقدم التفاعل باستخدام تغير اللون الذي يحدث أثناء التفاعل.
قبل البدء في التجربة ، تأكد من ارتداء معدات الحماية الشخصية المناسبة ، مثل معطف المختبر ونظارات السلامة والقفازات. لتحضير المواد ، قم أولا بوزن 14 مجم من 4-نيتروفينول وقم بإذابتها في 10 مل من الماء منزوع الأيونات في قارورة زجاجية لعمل محلول 10 ملم. بعد ذلك ، قم بوزن 57 مجم من بوروهيدريد الصوديوم وقم بإذابته في 15 مل من ماء DI لعمل محلول 100 ملليمتر. اخلطي الاثنين وقلبي في درجة حرارة الغرفة لتشكيل محلول موحد. يجب ألا يتغير لون المحلول ، حيث لا يمكن لبوروهيدريد الصوديوم تقليل 4-نيتروفينول بالكامل بدون المحفز. تزن 10 مجم من البلاديوم على الكربون النشط و 10 مجم من الكربون النشط بدون محفز كعينة تحكم.
انقل المحفزات الموزونة إلى قوارير منفصلة ، وأضف 100 مل من الماء منزوع الأيونات إلى كل منها. قم بتشغيل القوارير بطاقة خرج تبلغ 135 واط حتى يتم توزيع المحفزات جيدا في الماء.
الآن بعد أن تم تحضير المواد ، يمكن إجراء التخفيض التحفيزي ل 4-nitrophenol. قم بقياس 1.15 مل من محلول 4-نيتروفينول وبوروهيدريد الصوديوم المحضر ، وانقله إلى قارورة زجاجية سعة 5 مل.
راقب وسجل لون المحلول في القارورة. أضف 1 مل من البلاديوم المحضر على محلول محفز الكربون النشط إلى القارورة ، ورجه باليد للخلط.
راقب التفاعل لمدة 20 دقيقة ، وسجل عندما يبدأ لون المحلول في التغير ثم يتلاشى تماما. عندما يتلاشى كل اللون ، يكتمل التفاعل.
كرر نفس الإجراء لمحلول التحكم في الكربون النشط. مع تقدم التفاعل ، يتغير اللون من الأصفر إلى عديم اللون ، مما يشير إلى استهلاك 4-نيتروفينول. لتحديد هذا التغيير ، قم بقياس امتصاص الأشعة فوق البنفسجية للعينة عند 400 نانومتر.
ارسم السجل الطبيعي للامتصاص مقابل الوقت. ينخفض الامتصاص على مدار التفاعل ، مما يشير إلى استهلاك 4-نيتروفينول. لم تظهر عينة التحكم أي نشاط حفاز.
المحفزات لها أهمية حيوية لمجموعة واسعة من المجالات الصناعية والعلمية.
في وجود محفز البلاديوم ، تحدث تفاعلات اقتران الكربون والكربون ، والمعروفة باسم تفاعل هيك. يعتبر تفاعل هيك أول آلية صحيحة لتفاعلات الاقتران المحفزة بالمعادن الانتقالية. إنه ذو قيمة كبيرة للتحفيز الحديث لدرجة أن ريتشارد ف. هيك حصل على جائزة نوبل في الكيمياء لاكتشافه. يمكن إجراء تفاعل هيك باستخدام محفز البلاديوم ، كما هو موضح في هذه التجربة. هنا ، تم تصنيع المحفز في درجة حرارة الغرفة. بعد التفاعل ، تم تحليل المنتج باستخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، أو الرنين المغناطيسي النووي.
في الطبيعة ، الإنزيمات هي محفزات تمكن مجموعة واسعة من التفاعلات البيولوجية. على سبيل المثال ، أسيتات كيناز هو إنزيم موجود في الكائنات الحية الدقيقة يسهل التحويل القابل للعكس من الأسيتات إلى فوسفات الأسيتيل.
تم قياس نشاط الإنزيم باستخدام القياس الطيفي للأشعة فوق البنفسجية والبصرية ، مع منحنى قياسي.
تمت مراقبة كمية فوسفات الأسيتيل المستهلكة طوال التفاعل ، وتم رسم حركية الإنزيم كدالة للوقت.
البوليمرات هي مجال آخر يمكنه الاستفادة من التحفيز. هنا ، تم تصنيع جزيئات البوليمر على شكل نجمة.
أولا ، تم تحضير المحفز وتجفيفه في درجة حرارة الغرفة. ثم تم خلط فروع البوليمر مع المحفز ، ثم تمت إضافة رابط متقاطع لتشكيل الجسيمات.
ثم تم تحليل حجم الجسيمات باستخدام كروماتوغرافيا نفاذية الهلام. تستخدم الجسيمات النانوية البوليمرية ، مثل البوليمرات النجمية المصنعة في هذا المثال ، في مجموعة واسعة من التطبيقات مثل توصيل الأدوية والتجميع الذاتي.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للتحفيز. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن تفهم مفهوم التحفيز وكيفية تشغيل رد فعل بسيط في المختبر.
شكرا للمشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is activation energy and how do catalysts lower it?
Activation energy is the minimum energy required to initiate a chemical reaction. Catalysts provide an alternate reaction pathway with lower activation energy, enabling reactions to occur under less extreme conditions. This allows reactions to proceed faster at lower temperatures without being consumed in the process.
Q2: What is the difference between homogeneous and heterogeneous catalysis?
Homogeneous catalysts exist in the same phase as reactants, typically dissolved together in liquid. Heterogeneous catalysts are in a different phase, separated by a phase boundary. Heterogeneous catalysts are commonly solid metal nanoparticles dispersed on support materials like carbon or silica to increase surface area and prevent aggregation.
Q3: How do enzymes function as biological catalysts?
Enzymes are biological molecules that act as extremely specific catalysts. They are shape-specific and guide substrate molecules into optimal configurations for reaction. Enzymes enable a wide range of biological reactions, such as acetate kinase facilitating the conversion of acetate to acetyl phosphate in microorganisms.
Q4: Why do smaller nanoparticles have higher catalytic activity?
Smaller nanoparticles have higher catalytic activity because they contain more surface atoms per mole of catalyst. Active sites on nanoparticle surfaces, which may be planar faces or crystal edges, are where reactions occur. Greater surface area relative to volume increases the number of available active sites for reactants to interact with.
Q5: What happens during the surface reaction mechanisms in heterogeneous catalysis?
Surface reactions begin with adsorption of reagents to active sites. The Eley-Rideal mechanism involves reaction between one adsorbed species and one in bulk solution. The Langmuir-Hinshelwood mechanism involves reaction between two adsorbed species. Products then desorb from the surface into bulk solution, regenerating the catalyst.
Q6: How is the reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol monitored in the laboratory?
The reaction progress is monitored through color change using nuclear magnetic resonance nmr spectroscopy for product analysis. UV-Vis absorbance is measured at 400 nm to quantify the consumption of 4-nitrophenol. Plotting the natural log of absorbance versus time shows the reaction kinetics, with complete color fade indicating reaction completion.
Q7: Why are catalysts important to modern industry and technology?
Catalysts account for approximately 35% of global GDP and sustain about 33% of the world population through applications like the Haber process for fertilizer production. They enable carbon-carbon coupling reactions such as the Heck Reaction, facilitate polymer synthesis, and support drug delivery applications. Catalysis is central to addressing modern energy and environmental challenges.