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Katalysatoren sind Substanzen, die chemischen Systemen zugesetzt werden, damit chemische Reaktionen schneller und mit weniger Energie ablaufen können.
Die minimale Energiemenge, die erforderlich ist, um eine Reaktion zu initiieren, wird als Aktivierungsenergie bezeichnet. Katalysatoren bieten einen alternativen Reaktionsweg mit einer geringeren Aktivierungsenergie, so dass die Reaktion unter weniger extremen Bedingungen stattfinden kann. Die Aktivierungsenergie wird durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben.
Enzyme sind biologische Moleküle, die sich als äußerst spezifische Katalysatoren verhalten. Enzyme sind formspezifisch und leiten Reaktantenmoleküle, sogenannte Substrate, in die optimale Konfiguration für die Reaktion. Homogene Katalysatoren befinden sich in der gleichen Phase wie die Reaktanten. In den meisten Fällen werden sowohl der Katalysator als auch die Reaktanten in der flüssigen Phase gelöst. Bei der heterogenen Katalyse befinden sich Katalysator und Reaktanten in unterschiedlichen Phasen, die durch eine Phasengrenze getrennt sind. Üblicherweise sind heterogene Katalysatoren fest und bestehen aus einer nanoskaligen katalytischen Einheit, typischerweise einem Metallnanopartikel, das auf einem Trägermaterial dispergiert ist.
Das Trägermaterial, in der Regel Kohlenstoff, Siliziumdioxid oder ein Metalloxid, wird verwendet, um die Oberfläche zu vergrößern und Stabilität gegen Aggregation der Nanopartikel zu verleihen. Poröse Membranen und Sicken, Netze und gestapelte Bleche sind einige der Stützgeometrien, die in der Katalyse verwendet werden.
In der heterogenen Katalyse haben Nanopartikel aktive Stellen auf der Oberfläche, wo die Reaktion stattfindet. Je nach Reaktion können diese aktiven Zentren planare Flächen oder Kristallkanten auf der Oberfläche des Partikels sein. Typischerweise haben kleinere Nanopartikel eine höhere katalytische Aktivität, da die Anzahl der Oberflächenatome pro Mol Katalysator höher ist.
In diesem Video werden die Grundlagen der Katalyse erläutert und gezeigt, wie eine grundlegende katalytische Reaktion im Labor durchgeführt wird.
Es gibt verschiedene Arten von Katalysatoren. Bei hohen Temperaturen bewegen sich Moleküle schneller und kollidieren häufiger. Da der Anteil der molekularen Kollisionen höher ist, haben die Reaktanten genügend Energie, um die Aktivierungsenergie der Reaktion zu überwinden. Der Katalysator bietet einen alternativen Reaktionsmechanismus, der den Anteil der Kollisionen bei einer niedrigeren Temperatur erhöht und dadurch die Energiemenge verringert, die zum Abschluss der Reaktion benötigt wird. Der Katalysator kann an mehreren chemischen Umwandlungen teilnehmen, ist jedoch am Ende der Reaktion unverändert und kann recycelt und wiederverwendet werden.
Die Reaktion auf der Katalysatoroberfläche beginnt mit der Adsorption der Reagenzien an das aktive Zentrum, gefolgt von der Reaktion an der Oberfläche. Die Oberflächenreaktion kann zwischen einer adsorbierten Spezies und einer in der Masse stattfinden, der sogenannte Eley-Rideal-Mechanismus, oder zwischen zwei adsorbierten Spezies, der sogenannte Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus. Die Produkte desorbieren dann von der Oberfläche in das Schüttgut.
Nachdem Sie nun die Grundlagen der Katalyse verstanden haben, schauen wir uns die Reduktion von 4-Nitrophenol zu 4-Aminophenol unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen Palladiumkatalysators an, der auf gemahlener Aktivkohle basiert. Der Reaktionsfortschritt wird anhand der Farbänderung gemessen, die während der Reaktion auftritt.
Bevor Sie mit dem Experiment beginnen, stellen Sie sicher, dass Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung tragen, z. B. einen Laborkittel, eine Schutzbrille und Handschuhe. Um die Materialien vorzubereiten, wiegen Sie zunächst 14 mg 4-Nitrophenol und lösen Sie es in 10 mL deionisiertem Wasser in einem Glasfläschchen auf, um eine 10 mM-Lösung herzustellen. Wiegen Sie anschließend 57 mg Natriumborhydrid und lösen Sie es in 15 mL DI-Wasser auf, um eine 100 mM-Lösung herzustellen. Mischen Sie die beiden und rühren Sie bei Raumtemperatur um, um eine gleichmäßige Lösung zu bilden. Die Farbe der Lösung sollte sich nicht ändern, da das Natriumborhydrid 4-Nitrophenol ohne den Katalysator nicht vollständig reduzieren kann. Als Kontrollprobe werden 10 mg Palladium auf Aktivkohle und 10 mg Aktivkohle ohne Katalysator gewogen.
Übertragen Sie die gewogenen Katalysatoren in separate Fläschchen und fügen Sie jeweils 100 ml deionisiertes Wasser hinzu. Beschallen Sie die Fläschchen mit einer Ausgangsleistung von 135 Watt, bis die Katalysatoren gut im Wasser verteilt sind.
Nachdem die Materialien nun vorbereitet sind, kann die katalytische Reduktion von 4-Nitrophenol durchgeführt werden. Messen Sie 1,15 ml der vorbereiteten 4-Nitrophenol- und Natriumborhydridlösung ab und geben Sie sie in ein 5-ml-Glasfläschchen.
Beobachten und notieren Sie die Farbe der Lösung in der Durchstechflasche. 1 ml der vorbereiteten Palladium-auf-Aktivkohle-Katalysatorlösung in die Durchstechflasche geben und zum Mischen von Hand schütteln.
Beobachten Sie die Reaktion 20 Minuten lang und notieren Sie, wann sich die Farbe der Lösung zu ändern beginnt und dann vollständig verblasst. Wenn die gesamte Farbe verblasst ist, ist die Reaktion abgeschlossen.
Wiederholen Sie das gleiche Verfahren für die Aktivkohle-Kontrolllösung. Im Laufe der Reaktion ändert sich die Farbe von gelb zu farblos, was auf den Verbrauch von 4-Nitrophenol hinweist. Um diese Änderung zu quantifizieren, messen Sie die UV-Vis-Absorption der Probe bei 400 nm.
Zeichnen Sie den natürlichen Logarithmus der Absorption über die Zeit auf. Die Absorption nimmt im Verlauf der Reaktion ab, was auf den Verbrauch von 4-Nitrophenol hinweist. Die Kontrollprobe zeigte keine katalytische Aktivität.
Katalysatoren sind für eine Vielzahl von industriellen und wissenschaftlichen Bereichen von entscheidender Bedeutung.
In Gegenwart eines Palladiumkatalysators kommt es zu Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kupplungsreaktionen, die als Heck-Reaktion bekannt sind. Die Heck-Reaktion gilt als der erste korrekte Mechanismus für Übergangsmetall-katalysierte Kupplungsreaktionen. Es ist für die moderne Katalyse so wertvoll, dass Richard F. Heck für seine Entdeckung den Nobelpreis für Chemie erhielt. Die Heck-Reaktion kann mit einem Palladiumkatalysator durchgeführt werden, wie in diesem Experiment gezeigt. Hier wurde der Katalysator bei Raumtemperatur synthetisiert. Nach der Reaktion wurde das Produkt mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) analysiert.
In der Natur sind Enzyme Katalysatoren, die eine Vielzahl biologischer Reaktionen ermöglichen. Zum Beispiel ist die Acetatkinase ein Enzym, das in Mikroorganismen vorkommt und die reversible Umwandlung von Acetat in Acetylphosphat erleichtert.
Die Enzymaktivität wurde mittels UV-Vis-Spektrophotometrie mit einer Standardkurve gemessen.
Die Menge an verbrauchtem Acetylphosphat wurde während der gesamten Reaktion überwacht und die Enzymkinetik als Funktion der Zeit aufgetragen.
Polymere sind ein weiterer Bereich, der sich die Vorteile der Katalyse zunutze machen kann. Hier wurden sternförmige Polymerpartikel synthetisiert.
Zunächst wurde der Katalysator aufbereitet und bei Raumtemperatur getrocknet. Die Polymerzweige wurden dann mit dem Katalysator vermischt und dann ein Vernetzer hinzugefügt, um die Partikel zu bilden.
Anschließend wurde die Partikelgröße mittels Gelpermeationschromatographie analysiert. Polymere Nanopartikel, wie die in diesem Beispiel hergestellten Sternpolymere, werden für eine Vielzahl von Anwendungen wie die Verabreichung von Medikamenten und die Selbstorganisation eingesetzt.
Sie haben gerade JoVEs Einführung in die Katalyse gesehen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie das Konzept der Katalyse verstehen und wissen, wie man eine einfache Reaktion im Labor abläuft.
Danke fürs Zuschauen!
