Introduction à la catalyse
Source : Laboratoire de Dr. Ryan Richards — Colorado School of Mines
La catalyse est parmi les domaines les plus importants des technologies modernes…
1. préparation de la Solution de 4-nitrophénol mélangée avec du borohydrure de Sodium
- Peser 14 mg du 4-nitrophénol et dissoudre dans de l’eau distillée dans une fiole de verre de 10 mL.
- Peser 57 mg de borohydrure de sodium et dissoudre dans 15 mL de l’eau distillée.
- Mélangez les deux solutions et agitation magnétique pendant 30 min à température ambiante pour une solution uniforme. Blouse, lunettes de sécurité et des gants sont nécessaires comme protection de protocole standard.
2. préparation de la Solution de catalyseur
- Peser 10 mg de palladium sur charbon actif et le palladium sur carbone granulaire respectivement. Peser 10 mg de charbon actif dans le groupe témoin.
- Transfert pesait catalyseurs dans un flacon et ajouter 100 mL de l’eau distillée dans chaque flacon.
- Laisser agir les flacons avec une puissance de sortie de 135 W pendant 10 min jusqu'à ce que les catalyseurs sont bien réparties dans l’eau.
3. réduction catalytique du 4-nitrophénol
- 1,15 ml de la solution préparée de borohydrure 4-nitrophénol et de sodium, transférer dans un flacon de verre de 5 mL.
- Enregistrer la couleur d’une solution dans le flacon, attendre 10 min et dossier si il n’y a aucun changement dans la couleur de la solution.
- Ajouter 1 mL de palladium préparé sur la solution de catalyseur de charbon actif dans le flacon, agiter le flacon à la main pendant 20 s. réaction d’observer pendant 20 min, enregistrer où la couleur de la solution commence à changer et quelle couleur de la solution s’estompe complètement transparent.
- Répétez la même procédure avec le palladium sur solution de catalyseur charbon granulaire.
- Répétez la même procédure avec la solution de catalyseur de charbon actif.
- Comparer le changement de couleur entre trois catalyseurs après 0, 5, 10, 15 et 20 min de temps de réaction. Afin de quantifier ce changement, mesurer les spectres UV-Vis de l’échantillon pendant l’intervalle de réaction de 20 min.
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Les catalyseurs sont des substances qui sont ajoutées aux systèmes chimiques pour permettre aux réactions chimiques de se produire plus rapidement, en utilisant moins d’énergie.
La quantité minimale d’énergie requise pour initier une réaction est appelée énergie d’activation. Les catalyseurs fournissent une voie de réaction alternative avec une énergie d’activation plus faible, ce qui permet à la réaction de se dérouler dans des conditions moins extrêmes. L’énergie d’activation est décrite par l’équation d’Arrhenius.
Les enzymes sont des molécules biologiques qui se comportent comme des catalyseurs extrêmement spécifiques. Les enzymes ont une forme spécifique et guident les molécules réactives, appelées substrats, dans la configuration optimale pour la réaction. Les catalyseurs homogènes sont dans la même phase que les réactifs. Le plus souvent, le catalyseur et les réactifs sont tous deux dissous dans la phase liquide. Dans la catalyse hétérogène, le catalyseur et les réactifs sont dans des phases différentes, séparées par une limite de phase. Généralement, les catalyseurs hétérogènes sont solides et se composent d’une entité catalytique à l’échelle nanométrique, généralement une nanoparticule métallique, qui est dispersée sur un matériau de support.
Le matériau de support, généralement du carbone, de la silice ou un oxyde métallique, est utilisé pour augmenter la surface et conférer une stabilité contre l’agrégation des nanoparticules. Les membranes et les billes poreuses, les mailles et les feuilles empilées sont quelques-unes des géométries de support utilisées en catalyse.
Dans la catalyse hétérogène, les nanoparticules ont des sites actifs à la surface, où la réaction a lieu. Selon la réaction, ces sites actifs pourraient être des faces planes ou des bords cristallins à la surface de la particule. En règle générale, les nanoparticules plus petites ont une activité catalytique plus élevée, en raison de la plus grande quantité d’atomes de surface par mole de catalyseur.
Cette vidéo mettra en évidence les bases de la catalyse et montrera comment effectuer une réaction catalytique de base en laboratoire.
Il existe plusieurs types de catalyseurs. À haute température, les molécules se déplacent plus rapidement et entrent en collision plus fréquemment. Comme la proportion de collisions moléculaires est plus élevée, les réactifs ont suffisamment d’énergie pour surmonter l’énergie d’activation de la réaction. Le catalyseur fournit un mécanisme de réaction alternatif qui augmente la proportion de collisions à une température plus basse, diminuant ainsi la quantité d’énergie nécessaire pour terminer la réaction. Le catalyseur peut participer à de multiples transformations chimiques, mais il reste inchangé à la fin de la réaction et peut être recyclé et réutilisé.
La réaction à la surface du catalyseur commence par l’adsorption des réactifs sur le site actif, suivie de la réaction à la surface. La réaction de surface peut se produire entre une espèce adsorbée et une autre dans la masse, appelée mécanisme d’Eley-Rideal, ou entre deux espèces adsorbées, appelée mécanisme de Langmuir-Hinshelwood. Les produits se désorbent ensuite de la surface dans le vrac.
Maintenant que vous comprenez les bases de la catalyse, examinons la réduction du 4-nitrophénol en 4-aminophénol à l’aide d’un catalyseur au palladium disponible dans le commerce soutenu par du charbon actif au sol. La progression de la réaction sera mesurée à l’aide du changement de couleur qui se produit au cours de la réaction.
Avant de commencer l’expérience, assurez-vous de porter un équipement de protection individuelle approprié, comme une blouse de laboratoire, des lunettes de sécurité et des gants. Pour préparer les matériaux, pesez d’abord 14 mg de 4-nitrophénol et dissolvez-le dans 10 ml d’eau désionisée dans un flacon en verre pour obtenir une solution de 10 mM. Ensuite, pesez 57 mg de borohydrure de sodium et dissolvez-le dans 15 mL d’eau DI pour obtenir une solution de 100 mM. Mélangez les deux et remuez à température ambiante pour former une solution uniforme. La couleur de la solution ne doit pas changer, car le borohydrure de sodium ne peut pas réduire complètement le 4-nitrophénol sans le catalyseur. Peser 10 mg de palladium sur charbon actif et 10 mg de charbon actif sans catalyseur comme échantillon de contrôle.
Transférez les catalyseurs pesés dans des flacons séparés et ajoutez 100 ml d’eau désionisée à chacun. Sonicez les flacons avec une puissance de sortie de 135 Watts jusqu’à ce que les catalyseurs soient bien répartis dans l’eau.
Maintenant que les matériaux sont préparés, la réduction catalytique du 4-nitrophénol peut être effectuée. Mesurer 1,15 mL de la solution préparée de 4-nitrophénol et de borohydrure de sodium et transférer dans un flacon en verre de 5 mL.
Observez et notez la couleur de la solution dans le flacon. Ajouter 1 mL de la solution catalytique de palladium sur charbon actif préparée dans le flacon et agiter à la main pour mélanger.
Observez la réaction pendant 20 minutes et notez quand la couleur de la solution commence à changer puis s’estompe complètement. Lorsque toute la couleur s’est estompée, la réaction est complète.
Répétez la même procédure pour la solution de contrôle du charbon actif. Au fur et à mesure que la réaction progresse, la couleur passe du jaune à l’incolore, indiquant la consommation de 4-nitrophénol. Pour quantifier ce changement, mesurez l’absorbance UV-Vis de l’échantillon à 400 nm.
Tracez le logarithme naturel de l’absorbance en fonction du temps. L’absorbance diminue au cours de la réaction, indiquant la consommation de 4-nitrophénol. L’échantillon témoin n’a montré aucune activité catalytique.
Les catalyseurs sont d’une importance vitale pour un large éventail de domaines industriels et scientifiques.
En présence d’un catalyseur au palladium, des réactions de couplage carbone-carbone se produisent, connues sous le nom de réaction de Heck. La réaction de Heck est considérée comme le premier mécanisme correct pour les réactions de couplage catalysées par des métaux de transition. Il est si précieux pour la catalyse moderne que Richard F. Heck a reçu le prix Nobel de chimie pour sa découverte. La réaction de Heck peut être réalisée à l’aide d’un catalyseur au palladium, comme le montre cette expérience. Ici, le catalyseur a été synthétisé à température ambiante. Après la réaction, le produit a été analysé à l’aide de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, ou RMN.
Dans la nature, les enzymes sont des catalyseurs qui permettent un large éventail de réactions biologiques. Par exemple, l’acétate kinase est une enzyme présente dans les micro-organismes qui facilite la conversion réversible de l’acétate en phosphate d’acétyle.
L’activité enzymatique a été mesurée à l’aide de la spectrophotométrie UV-Vis, avec une courbe standard.
La quantité de phosphate d’acétyle consommée a été surveillée tout au long de la réaction, et la cinétique enzymatique a été tracée en fonction du temps.
Les polymères sont un autre domaine qui peut tirer parti de la catalyse. Ici, des particules de polymère en forme d’étoile ont été synthétisées.
Tout d’abord, le catalyseur a été préparé et séché à température ambiante. Les branches de polymère ont ensuite été mélangées au catalyseur, puis un agent de réticulation a été ajouté pour former les particules.
La taille des particules a ensuite été analysée à l’aide de la chromatographie par perméation de gel. Les nanoparticules polymères, comme les polymères étoiles fabriqués dans cet exemple, sont utilisées pour un large éventail d’applications telles que l’administration de médicaments et l’auto-assemblage.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la catalyse. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez comprendre le concept de catalyse et comment exécuter une réaction simple en laboratoire.
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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.