Einführung in die Katalyse
Quelle: Labor von Dr. Ryan Richards – Colorado School of Mines
Katalyse gehört zu den wichtigsten Bereichen von moderner Technologie und derzeit entfa…
1. Vorbereitung von 4-Nitrophenol Lösung gemischt mit Natriumborohydrid
- 14 mg 4-Nitrophenol wiegen und in 10 mL VE-Wasser in ein Glas-Durchstechflasche auflösen.
- 57 mg von Natriumborohydrid wiegen und in 15 mL VE-Wasser auflösen.
- Mischen Sie die zwei Lösungen und magnetische rühren für 30 min bei Raumtemperatur zu einer einheitlichen Lösung. Laborkittel, Sicherheit Brille und Handschuhe sind als Standardprotokoll Schutz erforderlich.
2. Vorbereitung des Katalysator-Lösung
- Wiegen Sie 10 mg Palladium auf Aktivkohle und Palladium auf Granulat Kohlenstoff bzw.. Wiegen Sie 10 mg Aktivkohle als Kontrollgruppe.
- Transfer wog Katalysatoren zu einem Fläschchen und jedes Fläschchen 100 mL VE-Wasser hinzufügen.
- Beschallen Sie die Fläschchen mit einer Ausgangsleistung von 135 W für 10 min bis Katalysatoren im Wasser gut verteilt sind.
3. katalytische Reduktion von 4-Nitrophenol
- Messen Sie 1,15 mL fertige Lösung für 4-Nitrophenol und Natrium Natriumborhydrid, übertragen auf eine 5-mL-Glasflasche.
- Notieren Sie die Farbe der Lösung in das Fläschchen, warten Sie 10 min und Rekord, wenn es irgendeine Änderung in der Farbe der Lösung.
- Die Ampulle fügen Sie 1 mL der vorbereiteten Palladium auf Aktivkohle-Katalysator-Lösung hinzu, schütteln Sie das Fläschchen mit der hand 20 S. beobachten Reaktion für 20 min, zeichnen Sie auf, wenn Lösung Farbe beginnt sich zu verändern und wenn Lösung Farbe verblasst völlig transparent.
- Wiederholen Sie den Vorgang mit dem Palladium auf Granulat Kohlenstoff-Katalysator-Lösung.
- Wiederholen Sie den Vorgang mit der Aktivkohle-Katalysator-Lösung.
- Der Farbwechsel zwischen drei Katalysatoren nach 0, 5, 10, 15 und 20 min. Reaktionszeit zu vergleichen. Um diese Änderung zu quantifizieren, Messen Sie UV-Vis-Spektren der Probe während der 20 min-Reaktion-Intervall.
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!
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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.