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I catalizzatori sono sostanze che vengono aggiunte ai sistemi chimici per consentire alle reazioni chimiche di avvenire più velocemente, utilizzando meno energia.
La quantità minima di energia richiesta per avviare una reazione è chiamata energia di attivazione. I catalizzatori forniscono un percorso di reazione alternativo con un'energia di attivazione inferiore, consentendo che la reazione avvenga in condizioni meno estreme. L'energia di attivazione è descritta dall'equazione di Arrhenius.
Gli enzimi sono molecole biologiche che si comportano come catalizzatori estremamente specifici. Gli enzimi sono specifici per la forma e guidano le molecole reagenti, chiamate substrati, nella configurazione ottimale per la reazione. I catalizzatori omogenei si trovano nella stessa fase dei reagenti. Più frequentemente, il catalizzatore e i reagenti sono entrambi disciolti nella fase liquida. Nella catalisi eterogenea, il catalizzatore e i reagenti si trovano in fasi diverse, separati da un confine di fase. Comunemente, i catalizzatori eterogenei sono solidi e sono costituiti da un'entità catalitica su scala nanometrica, tipicamente una nanoparticella metallica, che è dispersa su un materiale di supporto.
Il materiale di supporto, solitamente carbonio, silice o ossido di metallo, viene utilizzato per aumentare l'area superficiale e conferire stabilità contro l'aggregazione delle nanoparticelle. Membrane e perline porose, reti e fogli impilati sono alcune delle geometrie di supporto utilizzate nella catalisi.
Nella catalisi eterogenea, le nanoparticelle hanno siti attivi sulla superficie, dove avviene la reazione. A seconda della reazione, questi siti attivi potrebbero essere facce piane o bordi cristallini sulla superficie della particella. Tipicamente, le nanoparticelle più piccole hanno una maggiore attività catalitica, a causa della maggiore quantità di atomi di superficie per mole di catalizzatore.
Questo video evidenzierà le basi della catalisi e dimostrerà come eseguire una reazione catalitica di base in laboratorio.
Esistono diversi tipi di catalizzatori. Ad alta temperatura, le molecole si muovono più velocemente e si scontrano più frequentemente. Poiché la proporzione di collisioni molecolari è più alta, i reagenti hanno energia sufficiente per superare l'energia di attivazione della reazione. Il catalizzatore fornisce un meccanismo di reazione alternativo che aumenta la percentuale di collisioni a una temperatura più bassa, diminuendo così la quantità di energia necessaria per completare la reazione. Il catalizzatore può partecipare a più trasformazioni chimiche, tuttavia rimane invariato al completamento della reazione e può essere riciclato e riutilizzato.
La reazione sulla superficie del catalizzatore inizia con l'adsorbimento dei reagenti nel sito attivo, seguito dalla reazione sulla superficie. La reazione superficiale può avvenire tra una specie adsorbita e una nella massa, chiamata meccanismo di Eley-Rideal, o tra due specie adsorbite, chiamata meccanismo di Langmuir-Hinshelwood. I prodotti vengono quindi desorbiti dalla superficie alla rinfusa.
Ora che hai compreso le basi della catalisi, diamo un'occhiata alla riduzione del 4-nitrofenolo a 4-amminofenolo utilizzando un catalizzatore di palladio disponibile in commercio supportato da carbone attivo macinato. L'andamento della reazione sarà misurato utilizzando il cambiamento di colore che si verifica durante la reazione.
Prima di iniziare l'esperimento, assicurarsi di indossare dispositivi di protezione individuale adeguati, come camice da laboratorio, occhiali di sicurezza e guanti. Per preparare i materiali, pesare prima 14 mg di 4-nitrofenolo e scioglierlo in 10 mL di acqua deionizzata in una fiala di vetro per ottenere una soluzione da 10 mM. Quindi, pesare 57 mg di boroidruro di sodio e scioglierlo in 15 ml di acqua deionizzata per ottenere una soluzione da 100 mM. Mescolare i due e mescolare a temperatura ambiente per formare una soluzione uniforme. Il colore della soluzione non deve cambiare, poiché il boroidruro di sodio non può ridurre completamente il 4-nitrofenolo senza il catalizzatore. Pesare 10 mg di palladio su carbone attivo e 10 mg di carbone attivo senza catalizzatore come campione di controllo.
Trasferire i catalizzatori pesati in fiale separate e aggiungere 100 ml di acqua deionizzata a ciascuna. Sonicare le fiale con una potenza di uscita di 135 Watt fino a quando i catalizzatori non sono ben distribuiti nell'acqua.
Ora che i materiali sono stati preparati, è possibile eseguire la riduzione catalitica del 4-nitrofenolo. Misurare 1,15 mL della soluzione preparata di 4-nitrofenolo e boroidruro di sodio e trasferirla in un flaconcino di vetro da 5 mL.
Osservare e annotare il colore della soluzione nel flaconcino. Aggiungere 1 mL della soluzione catalizzatrice preparata di palladio su carbone attivo al flaconcino e agitare a mano per mescolare.
Osservare la reazione per 20 minuti e registrare quando il colore della soluzione inizia a cambiare e poi svanisce completamente. Quando tutto il colore è sbiadito, la reazione è completa.
Ripetere la stessa procedura per la soluzione di controllo a carboni attivi. Man mano che la reazione procede, il colore cambia da giallo a incolore, indicando il consumo di 4-nitrofenolo. Per quantificare questa variazione, misurare l'assorbanza UV-Vis del campione a 400 nm.
Traccia il logaritmo naturale dell'assorbanza rispetto al tempo. L'assorbanza diminuisce nel corso della reazione, indicando il consumo di 4-nitrofenolo. Il campione di controllo non ha mostrato attività catalitica.
I catalizzatori sono di vitale importanza per un'ampia gamma di settori industriali e scientifici.
In presenza di un catalizzatore al palladio, si verificano reazioni di accoppiamento carbonio-carbonio, note come reazione di Heck. La reazione di Heck è considerata il primo meccanismo corretto per le reazioni di accoppiamento catalizzate da metalli di transizione. È così prezioso per la catalisi moderna che Richard F. Heck ha ricevuto il Premio Nobel per la chimica per la sua scoperta. La reazione di Heck può essere eseguita utilizzando un catalizzatore di palladio, come mostrato in questo esperimento. Qui, il catalizzatore è stato sintetizzato a temperatura ambiente. Dopo la reazione, il prodotto è stato analizzato utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, o NMR.
In natura, gli enzimi sono catalizzatori che consentono un'ampia gamma di reazioni biologiche. Ad esempio, l'acetato chinasi è un enzima presente nei microrganismi che facilita la conversione reversibile dell'acetato in acetil fosfato.
L'attività enzimatica è stata misurata utilizzando la spettrofotometria UV-Vis, con una curva standard.
La quantità di acetil fosfato consumata è stata monitorata durante tutta la reazione e la cinetica enzimatica è stata tracciata in funzione del tempo.
I polimeri sono un altro campo che può trarre vantaggio dalla catalisi. Qui sono state sintetizzate particelle polimeriche a forma di stella.
Innanzitutto, il catalizzatore è stato preparato ed essiccato a temperatura ambiente. I rami del polimero sono stati quindi mescolati con il catalizzatore, quindi è stato aggiunto un reticolante per formare le particelle.
La dimensione delle particelle è stata quindi analizzata mediante cromatografia a permeazione di gel. Le nanoparticelle polimeriche, come i polimeri a stella fabbricati in questo esempio, sono utilizzate per un'ampia gamma di applicazioni come la somministrazione di farmaci e l'autoassemblaggio.
Hai appena visto l'introduzione alla catalisi di JoVE. Dopo aver visto questo video, dovresti capire il concetto di catalisi e come eseguire una semplice reazione in laboratorio.
Grazie per l'attenzione!
