触媒入門
ソース: 研究室博士ライアン ・ リチャーズ-コロラド スクール オブ マインズ
触媒は、近代的な技術と現在の国内総生産 (GDP) の約 35%、肥料生産 Haber プロセス経由で世界の人口の約 33% の糧アカウントの最も重要な分野の一つです。1触媒は、活性化エネルギーを下げることと、選択性に…
1 水素化ホウ素ナトリウムと混合 4-ニトロフェノール溶液の調製
- 4-ニトロフェノールの 14 mg の重量を量るし、ガラス瓶の DI 水 10 mL に溶かします。
- 水素化ホウ素ナトリウム 57 mg の重量を量る、DI 水 15 mL で溶解します。
- 2 つのソリューションと均一溶液を室温で 30 分間電磁攪拌を混ぜます。白衣、安全ゴーグル、手袋は標準プロトコルの保護として必要があります。
2. 触媒溶液の調製
- アクティブ カーボン パラジウム、パラジウム炭素粉の 10 mg のそれぞれ重量を量る。対照群として活性炭の 10 mg の重量を量る。
- 転送はバイアルへの触媒の重量を量った、DI 水 100 mL を各バイアルに追加します。
- 触媒は、水中に分散よくまでの 10 分の 135 W の出力電力がバイアルの超音波照射します。
3. 4-ニトロフェノールの還元
- 測定準備 4-ニトロフェノール ・ ナトリウム水素化ホウ素溶液 1.15 mL、5 mL バイアルに転送。
- 溶液の色の変化がある場合、10 分とレコードを待つ、バイアルにソリューションの色を記録します。
- 活性炭触媒溶液をバイアルに準備されたパラジウムの 1 mL を追加、20 分の 20 の s. 観察反応のバイアルを手で振る、ソリューション色が変更を開始したときと、ソリューションの色が完全に透明にフェードを記録します。
- 粒状炭素触媒溶液にパラジウムと同じ手順を繰り返します。
- 活性炭触媒溶液と同じ手順を繰り返します。
- 3 触媒の 0、5、10、15、および反応時間の 20 分後の色の変化を比較します。この変更を定量化するには、20 分反応間隔中にサンプルの紫外-可視スペクトルを測定します。
触媒は、化学反応をより少ないエネルギーでより早く起こすために化学系に添加される物質です。
反応を開始するために必要な最小のエネルギー量は、活性化エネルギーと呼ばれます。触媒は、より低い活性化エネルギーで代替の反応経路を提供し、それほど極端でない条件下で反応を起こすことを可能にします。活性化エネルギーはアレニウス方程式で表されます。
酵素は、非常に特異的な触媒として振る舞う生体分子です。酵素は形状特異的であり、基質と呼ばれる反応分子を反応に最適な配置に導きます。均質な触媒は、反応物と同じ相にあります。ほとんどの場合、触媒と反応物は両方とも液相に溶解します。不均一系触媒では、触媒と反応物は異なる相にあり、相境界によって分離されています。一般に、不均一系触媒は固体であり、ナノスケールの触媒実体(通常は金属ナノ粒子)で構成され、支持体上に分散しています。
支持材料(通常は炭素、シリカ、または金属酸化物)は、表面積を増やし、ナノ粒子の凝集に対する安定性を付与するために使用されます。多孔質膜とビーズ、メッシュ、および積層シートは、触媒作用で使用される支持体形状の一部です。
不均一系触媒作用では、ナノ粒子は表面に活性部位を持ち、そこで反応が起こります。反応に応じて、これらの活性部位は、粒子の表面上の平面または結晶エッジである可能性があります。通常、より小さなナノ粒子は、触媒のモルあたりの表面原子の量が多いため、触媒活性が高くなります。
このビデオでは、触媒作用の基本に焦点を当て、実験室で基本的な触媒反応を行う方法を示します。
触媒にはいくつかの種類があります。高温では、分子はより速く移動し、より頻繁に衝突します。分子衝突の割合が高いため、反応物は反応の活性化エネルギーを克服するのに十分なエネルギーを持っています。この触媒は、より低い温度での衝突の割合を増加させる代替反応メカニズムを提供し、それによって反応を完了するために必要なエネルギー量を減少させます。触媒は複数の化学変換に関与する可能性がありますが、反応の完了時には変化せず、リサイクルして再利用することができます。
触媒表面での反応は、試薬の活性部位への吸着から始まり、続いて表面での反応が続きます。表面反応は、Eley-Ridealメカニズムと呼ばれる1つの吸着種とバルク内の1つの種の間で、またはLangmuir-Hinshelwoodメカニズムと呼ばれる2つの吸着種間で発生する可能性があります。その後、製品は表面からバルクに脱着します。
触媒作用の基本を理解したところで、地上活性炭に担持された市販のパラジウム触媒を用いて、4-ニトロフェノールを4-アミノフェノールに還元する方法を見てみましょう。反応の進行は、反応中に発生する色の変化を使用して測定されます。
実験を始める前に、白衣、安全ゴーグル、手袋などの適切な個人用保護具を必ず着用してください。材料を調製するには、まず14 mgの4-ニトロフェノールを秤量し、ガラスバイアル内の10 mLの脱イオン水に溶解して10 mM溶液を作ります。次に、57mgの水素化ホウ素ナトリウムを秤量し、15mLの脱イオン水に溶かして100mMの溶液を作ります。2つを混合し、室温で攪拌して均一な溶液を形成します。水素化ホウ素ナトリウムは触媒なしでは4-ニトロフェノールを完全に還元できないため、溶液の色は変化してはなりません。活性炭上にパラジウム10 mg、触媒なしの活性炭10 mgをコントロールサンプルとして秤量します。
秤量した触媒を別々のバイアルに移し、それぞれに100 mLの脱イオン水を加えます。触媒が水中に十分に分布するまで、135ワットの出力電力でバイアルを超音波処理します。
材料が調製されたので、4-ニトロフェノールの触媒還元を行うことができます。調製した4-ニトロフェノールと水素化ホウ素ナトリウム溶液1.15mLを測定し、5mLのガラスバイアルに移します。
バイアル内の溶液の色を観察し、記録します。調製したパラジウムを活性炭触媒溶液に1mL加え、手で振って混合します。
反応を20分間観察し、溶液の色が変化し始め、その後完全に退色するタイミングを記録します。すべての色が落ちたら反応は完了です。
活性炭制御ソリューションについても同じ手順を繰り返します。反応が進行すると、色が黄色から無色に変化し、4-ニトロフェノールの消費を示しています。この変化を定量化するには、400 nm でサンプルの UV-Vis 吸光度を測定します。
吸光度と時間の自然対数をプロットします。吸光度は反応の過程で減少し、4-ニトロフェノールの消費を示します。対照サンプルは触媒活性を示さなかった。
触媒は、幅広い産業および科学分野にとって極めて重要です。
パラジウム触媒の存在下では、ヘック反応として知られる炭素-炭素結合反応が起こります。ヘック反応は、遷移金属触媒カップリング反応の最初の正しいメカニズムと見なされています。これは現代の触媒作用にとって非常に価値があるため、リチャード・F・ヘックは彼の発見によりノーベル化学賞を受賞しました。Heck Reaction は、この実験で示されているように、パラジウム触媒を使用して実行できます。ここでは、触媒を室温で合成しました。反応後、生成物を核磁気共鳴分光法(NMR)を使用して分析しました。
自然界では、酵素はさまざまな生体反応を可能にする触媒です。例えば、アセテートキナーゼは、アセテートからアセチルリン酸への可逆的な変換を促進する微生物に見られる酵素です。
酵素活性は、標準曲線を使用してUV-Vis分光光度法を使用して測定されました。
消費されたリン酸アセチルの量を反応全体を通してモニターし、酵素動態を時間の関数としてプロットしました。
ポリマーは、触媒作用を利用できる別の分野です。ここでは、星型の高分子粒子を合成しました。
まず、触媒を調製し、室温で乾燥させた。次に、ポリマー分岐を触媒と混合し、架橋剤を添加して粒子を形成しました。
次に、粒子サイズをゲル浸透クロマトグラフィーを使用して分析しました。この例で作製したスターポリマーのような高分子ナノ粒子は、薬物送達や自己組織化などの幅広い用途に使用されています。
JoVEの「Introduction to catalysis」をご覧になりました。このビデオを見れば、触媒作用の概念と、実験室での簡単な反応の実行方法を理解できるはずです。
ご覧いただきありがとうございます!
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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.