מבוא קטליזה
מקור: המעבדה של ד"ר ריאן ריצ'רדס — בית הספר של קולורדו של מוקשים
קטליזה היא בין התחומים החשובים ביותר של הטכנולוגיה המודרנית ומהווה כיום כ-35% מהתוצר…
1. הכנת 4-פתרון ניטרופינול מעורבב עם נתרן בורוהידריד
- שוקלים 14 מ"ג של 4-ניטרופינול ומתמוססים ב-10 מ"ל של מי DI ב בקבוקון זכוכית.
- שוקלים 57 מ"ג נתרן בורוהידריד ומתמוססים ב-15 מ"ל של מי DI.
- מערבבים את שני הפתרונות ומערבבים מגנטית במשך 30 דקות בטמפרטורת החדר לתמיסה אחידה. חלוק מעבדה, משקפי בטיחות וכפפות נדרשים כהגנה פרוטוקול סטנדרטית.
2. הכנת פתרון זרז
- שוקלים 10 מ"ג פלדיום על פחמן פעיל ופלדיום על פחמן פרטני בהתאמה. שוקל 10 מ"ג של פחמן פעיל כקבוצת ביקורת.
- מעבירים זרזים שקלולים לחקירה ומוסיפים 100 מ"ל של מי DI לכל מקטורן.
- Sonicate הבקבוקונים עם כוח פלט של 135 W במשך 10 דקות עד זרזים מופצים היטב במים.
3. הפחתה קטליטית של 4-ניטרופינול
- מדוד 1.15 מ"ל של פתרון מוכן 4-ניטרופינול ונתרן בורוהידריד, להעביר בקבוקון זכוכית 5 מ"ל.
- הקלט את צבע הפתרון בוויאליה, המתן 10 דקות ורשום אם יש שינוי בצבע הפתרון.
- הוסף 1 מ"ל של פלדיום מוכן על פתרון זרז פחמן פעיל לחקירה, לנער את המשחקון ביד במשך 20 s. התבונן בתגובה במשך 20 דקות, תעד מתי צבע הפתרון מתחיל להשתנות וכאשר צבע הפתרון יתפוגג לחלוטין לשקוף.
- חזור על אותו הליך עם פלדיום על פתרון זרז פחמן פרטני.
- חזור על אותו הליך עם פתרון זרז הפחמן הפעיל.
- השווה את שינוי הצבע בין שלושה זרזים לאחר 0, 5, 10, 15 ו- 20 דקות של זמן תגובה. כדי לכמת שינוי זה, למדוד ספקטרום UV-Vis של המדגם במהלך מרווח התגובה של 20 דקות.
זרזים הם חומרים שמוסיפים למערכות כימיות כדי לאפשר לתגובות כימיות להתרחש מהר יותר, תוך שימוש בפחות אנרגיה.
כמות האנרגיה המינימלית הנדרשת כדי ליזום תגובה נקראת אנרגיית שפעול. זרזים מספקים מסלול תגובה חלופי עם אנרגיית שפעול נמוכה יותר, ומאפשרים לתגובה להתרחש בתנאים פחות קיצוניים. אנרגיית השפעול מתוארת על ידי משוואת ארניוס.
אנזימים הם מולקולות ביולוגיות המתנהגות כזרזים ספציפיים ביותר. אנזימים הם ספציפיים לצורה, ומנחים מולקולות מגיבות, הנקראות סובסטרטים, לתצורה האופטימלית לתגובה. זרזים הומוגניים נמצאים באותו שלב כמו המגיבים. לרוב, הזרז והמגיבים מומסים שניהם בשלב הנוזלי. בקטליזה הטרוגנית, הזרז והמגיבים נמצאים בשלבים שונים, מופרדים על ידי גבול פאזה. בדרך כלל, זרזים הטרוגניים הם מוצקים ומורכבים מישות קטליטית בקנה מידה ננומטרי, בדרך כלל ננו-חלקיק מתכת, המפוזר על חומר תמיכה.
החומר התומך, בדרך כלל פחמן, סיליקה או תחמוצת מתכת, משמש להגדלת שטח הפנים ולהקניית יציבות מפני צבירה של ננו-חלקיקים. ממברנות וחרוזים נקבוביים, רשת ויריעות מוערמות הם חלק מגיאומטריות התמיכה המשמשות בקטליזה.
בקטליזה הטרוגנית, לננו-חלקיקים יש אתרים פעילים על פני השטח, שבהם מתרחשת התגובה. בהתאם לתגובה, אתרים פעילים אלה יכולים להיות פנים מישוריות או קצוות גבישים על פני השטח של החלקיק. בדרך כלל, לננו-חלקיקים קטנים יותר יש פעילות קטליטית גבוהה יותר, בשל הכמות הגבוהה יותר של אטומי פני השטח לכל שומה של זרז.
סרטון זה ידגיש את יסודות הקטליזה, וידגים כיצד לבצע תגובה קטליטית בסיסית במעבדה.
ישנם מספר סוגים של זרזים. בטמפרטורה גבוהה, מולקולות נעות מהר יותר ומתנגשות בתדירות גבוהה יותר. מכיוון ששיעור ההתנגשויות המולקולריות גבוה יותר, למגיבים יש מספיק אנרגיה כדי להתגבר על אנרגיית ההפעלה של התגובה. הזרז מספק מנגנון תגובה חלופי המגדיל את שיעור ההתנגשויות בטמפרטורה נמוכה יותר, ובכך מקטין את כמות האנרגיה הדרושה להשלמת התגובה. הזרז עשוי להשתתף בטרנספורמציות כימיות מרובות, אולם הוא אינו משתנה בסיום התגובה וניתן למחזר אותו ולעשות בו שימוש חוזר.
התגובה על פני הזרז מתחילה עם ספיחה של ריאגנטים לאתר הפעיל, ואחריו התגובה על פני השטח. תגובת פני השטח יכולה להתרחש בין מין אחד נספג לאחד בתפזורת, הנקרא מנגנון אלי-רידל, או בין שני מינים נספגים, הנקראים מנגנון לנגמיור-הינשלווד. לאחר מכן המוצרים נספגים מפני השטח לתוך הגדול.
עכשיו שאתה מבין את היסודות של קטליזה, בואו נסתכל על הפחתת 4-nitrophenol ל 4-aminophenol באמצעות זרז פלדיום זמין מסחרית נתמך על פחמן פעיל הקרקע. התקדמות התגובה תימדד באמצעות שינוי הצבע המתרחש במהלך התגובה.
לפני תחילת הניסוי, הקפד ללבוש ציוד מגן אישי מתאים, כגון מעיל מעבדה, משקפי מגן וכפפות. כדי להכין את החומרים, תחילה לשקול 14 מ"ג של 4-nitrophenol ולהמיס אותו ב 10 מ"ל של מים deionized בבקבוקון זכוכית כדי לעשות פתרון 10 mM. לאחר מכן, לשקול 57 מ"ג של בורוהידריד נתרן ולהמיס אותו ב 15 מ"ל של מים DI כדי ליצור פתרון 100 mM. מערבבים את השניים ומערבבים בטמפרטורת החדר לקבלת תמיסה אחידה. צבע התמיסה לא צריך להשתנות, כמו בורוהידריד נתרן לא יכול להפחית באופן מלא 4-nitrophenol ללא הזרז. שקלו 10 מ"ג פלדיום על פחמן פעיל ו-10 מ"ג פחמן פעיל ללא זרז כדגימת ביקורת.
מעבירים את הזרזים השקולים לבקבוקונים נפרדים, ומוסיפים 100 מ"ל מים נטולי יונים. הפעל את הבקבוקונים בהספק יציאה של 135 וואט עד שהזרזים מופצים היטב במים.
עכשיו החומרים מוכנים, הפחתה קטליטית של 4-nitrophenol ניתן לבצע. למדוד 1.15 מ"ל של 4-nitrophenol מוכן תמיסת בורוהידריד נתרן, ולהעביר בקבוקון זכוכית 5 מ"ל.
התבונן ורשום את צבע התמיסה בבקבוקון. מוסיפים 1 מ"ל של פלדיום מוכן על תמיסת זרז פחמן פעיל לבקבוקון, ולנער ביד כדי לערבב.
שימו לב לתגובה במשך 20 דקות, ותיעדו מתי צבע התמיסה מתחיל להשתנות ואז דוהה לחלוטין. כאשר כל הצבע דהה, התגובה הושלמה.
חזור על אותו הליך עבור פתרון בקרת הפחמן הפעיל. ככל שהתגובה מתקדמת, הצבע משתנה מצהוב לחסר צבע, המציין את הצריכה של 4-nitrophenol. כדי לכמת שינוי זה, מדדו את ספיגת UV-Vis של הדגימה ב-400 ננומטר.
התווה את היומן הטבעי של ספיגה לעומת זמן. הספיגה פוחתת במהלך התגובה, מה שמצביע על צריכת 4-ניטרופנול. דגימת הביקורת לא הראתה פעילות קטליטית.
זרזים הם בעלי חשיבות חיונית למגוון רחב של תחומים תעשייתיים ומדעיים.
בנוכחות זרז פלדיום, מתרחשות תגובות צימוד פחמן-פחמן, הידועות בשם תגובת הק. תגובת הק נחשבת למנגנון הנכון הראשון לתגובות צימוד זרזי מתכת מעבר. זה כל כך יקר לקטליזה המודרנית שריצ'רד פ. הק קיבל פרס נובל לכימיה על תגליתו. תגובת הק יכולה להתבצע באמצעות זרז פלדיום, כפי שמוצג בניסוי זה. כאן, הזרז סונתז בטמפרטורת החדר. לאחר התגובה, המוצר נותח באמצעות ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית, או NMR.
בטבע, אנזימים הם זרזים המאפשרים מגוון רחב של תגובות ביולוגיות. לדוגמה, אצטט קינאז הוא אנזים שנמצא במיקרואורגניזמים המאפשר המרה הפיכה של אצטט לאצטיל פוספט.
פעילות האנזים נמדדה באמצעות ספקטרופוטומטריה UV-Vis, עם עקומה סטנדרטית.
כמות האצטיל פוספט הנצרכת נוטרה לאורך כל התגובה, והקינטיקה של האנזים זוהתה כפונקציה של זמן.
פולימרים הם תחום נוסף שיכול לנצל קטליזה. כאן סונתזו חלקיקי פולימר בצורת כוכב.
ראשית, הזרז הוכן והתייבש בטמפרטורת החדר. ענפי הפולימר עורבבו עם הזרז, ואז נוסף קרוס-לינקר ליצירת החלקיקים.
גודל החלקיקים נותח לאחר מכן באמצעות כרומטוגרפיית חדירת ג'ל. ננו-חלקיקים פולימריים, כמו פולימרי הכוכבים המיוצרים בדוגמה זו, משמשים למגוון רחב של יישומים כגון העברת תרופות והרכבה עצמית.
זה עתה צפיתם במבוא לקטליזה של JoVE. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה צריך להבין את הרעיון של קטליזה וכיצד להפעיל תגובה פשוטה במעבדה.
תודה על הצפייה!
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.