Introducción a la catálisis
Fuente: Laboratorio del Dr. Ryan Richards, Colorado School of Mines
Catálisis es uno de los campos más importantes de tecnología moderna y actualmente…
1. preparación de solución de 4-nitrofenol mezclado con borohidruro de sodio
- Pesar de 14 mg de 4-nitrofenol y disolver en 10 mL de agua desionizada en un frasco de vidrio.
- Pesar de 57 mg de borohidruro de sodio y disolver en 15 mL de agua desionizada.
- Mezclar las dos soluciones y agitación magnética durante 30 min a temperatura ambiente una solución uniforme. Bata de laboratorio, gafas de seguridad y guantes son necesarios como protección del protocolo estándar.
2. preparación de solución de catalizador
- Pesar 10 mg de paladio sobre carbón activo y paladio sobre carbón granular respectivamente. Pesar 10 mg de carbón activo como grupo de control.
- Transferencia pesó catalizadores a un frasco y añadir 100 mL de agua desionizada a cada frasco.
- Someter a ultrasonidos los frascos con una potencia de 135 W durante 10 minutos hasta que los catalizadores están bien distribuidos en el agua.
3. catalítica reducción del 4-nitrofenol
- Miden 1,15 mL de solución de borohidruro de 4-nitrofenol y sodio preparada, transferir a un frasco de vidrio de 5 mL.
- Registrar el color de la solución en el frasco, esperar 10 minutos y registro si hay algún cambio en el color de la solución.
- Añadir 1 mL de paladio preparado en solución de catalizador de carbón activo al frasco, agitar el vial con la mano para 20 s. observar reacción por 20 min, grabar cuando el color de la solución comienza a cambiar y cuando el color de la solución se desvanece completamente a transparente.
- Repita el mismo procedimiento con el paladio en la solución de catalizador de carbón granular.
- Repita el mismo procedimiento con la solución de catalizador de carbón activo.
- Comparar el cambio de color entre tres catalizadores después de 0, 5, 10, 15 y 20 minutos de tiempo de reacción. Para cuantificar este cambio, medir espectros UV-Vis de la muestra durante el intervalo de reacción de 20 minutos.
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Los catalizadores son sustancias que se añaden a los sistemas químicos para permitir que las reacciones químicas ocurran más rápido y utilicen menos energía.
La cantidad mínima de energía requerida para iniciar una reacción se llama energía de activación. Los catalizadores proporcionan una vía de reacción alternativa con una energía de activación más baja, lo que permite que la reacción tenga lugar en condiciones menos extremas. La energía de activación se describe mediante la ecuación de Arrhenius.
Las enzimas son moléculas biológicas que se comportan como catalizadores extremadamente específicos. Las enzimas son específicas de la forma y guían las moléculas reactivas, llamadas sustratos, a la configuración óptima para la reacción. Los catalizadores homogéneos están en la misma fase que los reactivos. Lo más frecuente es que el catalizador y los reactivos se disuelvan en la fase líquida. En la catálisis heterogénea, el catalizador y los reactivos se encuentran en diferentes fases, separadas por un límite de fase. Comúnmente, los catalizadores heterogéneos son sólidos y consisten en una entidad catalítica a nanoescala, generalmente una nanopartícula metálica, que se dispersa en un material de soporte.
El material de soporte, generalmente carbono, sílice u óxido metálico, se utiliza para aumentar el área de superficie e impartir estabilidad contra la agregación de las nanopartículas. Las membranas porosas y los cordones, las mallas y las láminas apiladas son algunas de las geometrías de soporte utilizadas en la catálisis.
En la catálisis heterogénea, las nanopartículas tienen sitios activos en la superficie, donde tiene lugar la reacción. Dependiendo de la reacción, estos sitios activos pueden ser caras planas o bordes cristalinos en la superficie de la partícula. Por lo general, las nanopartículas más pequeñas tienen una mayor actividad catalítica, debido a la mayor cantidad de átomos de superficie por mol de catalizador.
Este video destacará los conceptos básicos de la catálisis y demostrará cómo realizar una reacción catalítica básica en el laboratorio.
Hay varios tipos de catalizadores. A altas temperaturas, las moléculas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia. Dado que la proporción de colisiones moleculares es mayor, los reactivos tienen suficiente energía para superar la energía de activación de la reacción. El catalizador proporciona un mecanismo de reacción alternativo que aumenta la proporción de colisiones a una temperatura más baja, disminuyendo así la cantidad de energía necesaria para completar la reacción. El catalizador puede participar en múltiples transformaciones químicas, sin embargo, no cambia al finalizar la reacción y puede reciclarse y reutilizarse.
La reacción en la superficie del catalizador comienza con la adsorción de los reactivos en el sitio activo, seguida de la reacción en la superficie. La reacción superficial puede ocurrir entre una especie adsorbida y otra en granel, llamada mecanismo de Eley-Rideal, o entre dos especies adsorbidas, llamado mecanismo de Langmuir-Hinshelwood. A continuación, los productos se desorben de la superficie a granel.
Ahora que comprende los conceptos básicos de la catálisis, echemos un vistazo a la reducción de 4-nitrofenol a 4-aminofenol utilizando un catalizador de paladio disponible en el mercado respaldado por carbón activo molido. El progreso de la reacción se medirá utilizando el cambio de color que se produce durante la reacción.
Antes de comenzar el experimento, asegúrese de usar equipo de protección personal adecuado, como una bata de laboratorio, gafas de seguridad y guantes. Para preparar los materiales, primero pese 14 mg de 4-nitrofenol y disuélvalo en 10 mL de agua desionizada en un vial de vidrio para hacer una solución de 10 mM. A continuación, pese 57 mg de borohidruro de sodio y disuélvalo en 15 ml de agua desionizada para hacer una solución de 100 mM. Mezcle los dos y revuelva a temperatura ambiente para formar una solución uniforme. El color de la solución no debe cambiar, ya que el borohidruro de sodio no puede reducir completamente el 4-nitrofenol sin el catalizador. Pesar 10 mg de paladio sobre carbón activo y 10 mg de carbón activo sin catalizador como muestra de control.
Transfiera los catalizadores pesados a viales separados y agregue 100 ml de agua desionizada a cada uno. Sonicar los viales con una potencia de salida de 135 vatios hasta que los catalizadores estén bien distribuidos en el agua.
Ahora que los materiales están preparados, se puede realizar la reducción catalítica del 4-nitrofenol. Mida 1,15 mL de la solución preparada de 4-nitrofenol y borohidruro de sodio y transfiérala a un frasco de vidrio de 5 mL.
Observe y registre el color de la solución en el vial. Agregue 1 mL de la solución de catalizador de paladio en carbón activo preparada al vial y agite con la mano para mezclar.
Observe la reacción durante 20 minutos y registre cuándo el color de la solución comienza a cambiar y luego se desvanece por completo. Cuando todo el color se ha desvanecido, la reacción es completa.
Repita el mismo procedimiento para la solución de control de carbón activo. A medida que avanza la reacción, el color cambia de amarillo a incoloro, lo que indica el consumo de 4-nitrofenol. Para cuantificar este cambio, mida la absorbancia UV-Vis de la muestra a 400 nm.
Traza el logaritmo natural de la absorbancia en función del tiempo. La absorbancia disminuye en el transcurso de la reacción, lo que indica el consumo de 4-nitrofenol. La muestra de control no mostró actividad catalítica.
Los catalizadores son de vital importancia para una amplia gama de campos industriales y científicos.
En presencia de un catalizador de paladio, se producen reacciones de acoplamiento carbono-carbono, conocidas como la reacción de Heck. La reacción de Heck se considera el primer mecanismo correcto para las reacciones de acoplamiento catalizadas por metales de transición. Es tan valioso para la catálisis moderna que Richard F. Heck recibió el Premio Nobel de Química por su descubrimiento. La reacción de Heck se puede realizar utilizando un catalizador de paladio, como se muestra en este experimento. Aquí, el catalizador se sintetizó a temperatura ambiente. Después de la reacción, el producto se analizó mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear, o RMN.
En la naturaleza, las enzimas son catalizadores que permiten una amplia gama de reacciones biológicas. Por ejemplo, la acetato quinasa es una enzima que se encuentra en los microorganismos y que facilita la conversión reversible de acetato en acetilfosfato.
La actividad enzimática se midió mediante espectrofotometría UV-Vis, con una curva estándar.
La cantidad de fosfato acetilo consumido se controló a lo largo de la reacción y se trazó la cinética de la enzima en función del tiempo.
Los polímeros son otro campo que puede aprovechar la catálisis. Aquí, se sintetizaron partículas de polímero en forma de estrella.
En primer lugar, se preparó el catalizador y se secó a temperatura ambiente. A continuación, las ramas del polímero se mezclaron con el catalizador y luego se añadió un reticulante para formar las partículas.
A continuación, se analizó el tamaño de partícula mediante cromatografía de permeación en gel. Las nanopartículas poliméricas, como los polímeros estrella fabricados en este ejemplo, se utilizan para una amplia gama de aplicaciones, como la administración de fármacos y el autoensamblaje.
Acabas de ver la Introducción a la catálisis de JoVE. Después de ver este video, debe comprender el concepto de catálisis y cómo ejecutar una reacción simple en el laboratorio.
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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.