Inleiding tot Katalyse
Bron: Laboratorium van Dr. Ryan Richards — Colorado School of Mines
Katalyse behoort tot de belangrijkste gebieden van moderne technologie en is momen…
1. Voorbereiding van 4-nitrofenol-oplossing gemengd met natriumborohydride
- Weeg 14 mg 4-nitrofenol af en los het op in 10 mL van gedeïoniseerd water in een glazen flacon.
- Weeg 57 mg natriumborohydride af en los het op in 15 mL van gedeïoniseerd water.
- Meng de twee oplossingen en magnetisch roer gedurende 30 min bij kamertemperatuur tot een uniforme oplossing. Labjas, veiligheidsbril en handschoenen zijn nodig als standaard beschermingsprotocol.
2. Voorbereiding van katalysatoroplossing
- Weeg 10 mg palladium op actieve koolstof en palladium op korrelige koolstof respectievelijk af. Weeg 10 mg actieve koolstof af als controlegroep.
- Breng gewogen katalysatoren over naar een flacon en voeg aan elke flacon 100 mL van gedeïoniseerd water toe.
- Soniceer de flacons met een uitgangsvermogen van 135 W gedurende 10 min totdat de katalysatoren goed verdeeld zijn in water.
3. Katalytische reductie van 4-nitrofenol
- Meet 1,15 mL van de bereide 4-nitrofenol- en natriumborohydride-oplossing af en breng het over naar een glazen flacon van 5 mL.
- Noteer de kleur van de oplossing in de flacon, wacht 10 min en noteer of er enige verandering is in de kleur van de oplossing.
- Voeg 1 mL van de bereide palladium op actieve koolstof katalysatoroplossing toe aan de flacon, schud de flacon met de hand gedurende 20 s. Observeer de reactie gedurende 20 min, noteer wanneer de oplossingskleur begint te veranderen en wanneer de oplossingskleur volledig vervaagt tot transparant.
- Herhaal dezelfde procedure met de palladium op korrelige koolstof katalysatoroplossing.
- Herhaal dezelfde procedure met de actieve koolstof katalysatoroplossing.
- Vergelijk de kleurverandering tussen drie katalysatoren na 0, 5, 10, 15 en 20 min reactietijd. Om deze verandering te kwantificeren, meet u UV-Vis-spectra van het monster gedurende het 20 min reactieinterval.
Katalysatoren zijn stoffen die aan chemische systemen worden toegevoegd om chemische reacties sneller te laten verlopen, met minder energie.
De minimale hoeveelheid energie die nodig is om een reactie te starten, wordt de activeringsenergie genoemd. Katalysatoren bieden een alternatieve reactieroute met een lagere activeringsenergie, waardoor de reactie onder minder extreme omstandigheden kan plaatsvinden. De activeringsenergie wordt beschreven door de Arrhenius-vergelijking.
Enzymen zijn biologische moleculen die zich gedragen als uiterst specifieke katalysatoren. Enzymen zijn vormspecifiek en leiden reactiemoleculen, zogenaamde substraten, naar de optimale configuratie voor reactie. Homogene katalysatoren bevinden zich in dezelfde fase als de reactanten. Meestal worden de katalysator en de reactanten beide opgelost in de vloeibare fase. Bij heterogene katalyse bevinden de katalysator en de reactanten zich in verschillende fasen, gescheiden door een fasegrens. Gewoonlijk zijn heterogene katalysatoren vast en bestaan uit een nanoschaal katalytisch entiteit, meestal een metaalnanodeeltje, dat is verspreid op een dragermateriaal.
Het dragermateriaal, meestal koolstof, silica of een metaaloxide, wordt gebruikt om het oppervlak te vergroten en stabiliteit te geven tegen aggregatie van de nanodeeltjes. Poreuze membranen en kralen, gaas en gestapelde vellen zijn enkele van de ondersteunende geometrieën die worden gebruikt in katalyse.
Bij heterogene katalyse hebben nanodeeltjes actieve sites op het oppervlak, waar de reactie plaatsvindt. Afhankelijk van de reactie kunnen deze actieve sites vlakke vlakken of kristalranden zijn op het oppervlak van het deeltje. Typisch hebben kleinere nanodeeltjes een hogere katalytische activiteit, vanwege de hogere hoeveelheid oppervlakteatomen per mol katalysator.
Deze video belicht de basisprincipes van katalyse en laat zien hoe een eenvoudige katalytische reactie in het laboratorium wordt uitgevoerd.
Er zijn verschillende soorten katalysatoren. Bij hoge temperatuur bewegen moleculen sneller en botsen vaker. Omdat het aandeel van moleculaire botsingen hoger is, hebben de reactanten voldoende energie om de activeringsenergie van de reactie te overwinnen. De katalysator biedt een alternatief reactiemechanisme dat de verhouding van botsingen bij een lagere temperatuur verhoogt, waardoor de hoeveelheid energie die nodig is om de reactie te voltooien, wordt verminderd. De katalysator kan deelnemen aan meerdere chemische transformaties, maar blijft onveranderd aan het einde van de reactie en kan worden gerecycled en hergebruikt.
De reactie op het katalysatoroppervlak begint met adsorptie van de reagentia op de actieve plaats, gevolgd door de reactie op het oppervlak. De oppervlaktereactie kan plaatsvinden tussen één geadsorbeerd soort en één in het bulk, genoemd het Eley-Rideal-mechanisme, of tussen twee geadsorbeerde soorten, genoemd het Langmuir-Hinshelwood-mechanisme. De producten desorberen vervolgens van het oppervlak in het bulk.
Nu u de basisprincipes van katalyse begrijpt, laten we de reductie van 4-nitrofenol tot 4-aminofenol bekijken met behulp van een commercieel verkrijgbare palladiumkatalysator ondersteund op gemalen actieve kool. De voortgang van de reactie wordt gemeten aan de hand van de kleurverandering die tijdens de reactie optreedt.
Voordat u met het experiment begint, zorg er dan voor dat u geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen draagt, zoals een laboratoriumjas, veiligheidsbril en handschoenen. Om de materialen voor te bereiden, weeg eerst 14 mg 4-nitrofenol en los het op in 10 ml gedeïoniseerd water in een glazen flesje om een 10 mM-oplossing te maken. Weeg vervolgens 57 mg natriumborohydride en los het op in 15 ml DI-water om een 100 mM-oplossing te maken. Meng de twee en roer bij kamertemperatuur om een uniforme oplossing te vormen. De kleur van de oplossing mag niet veranderen, omdat het natriumborohydride 4-nitrofenol niet volledig kan reduceren zonder de katalysator. Weeg 10 mg palladium op actieve kool en 10 mg actieve kool zonder katalysator als controlemonster.
Breng de gewogen katalysatoren over in afzonderlijke flesjes en voeg 100 ml gedeïoniseerd water toe aan elk. Soniceer de flesjes met een uitgangsvermogen van 135 watt totdat de katalysatoren goed zijn verdeeld in het water.
Nu de materialen zijn voorbereid, kan de katalytische reductie van 4-nitrofenol worden uitgevoerd. Meet 1,15 ml van de bereide 4-nitrofenol- en natriumborohydride-oplossing en breng het over in een glazen flesje van 5 ml.
Observeer en noteer de kleur van de oplossing in het flesje. Voeg 1 ml van de bereide palladium op actieve kool katalysatoroplossing toe aan het flesje en schud met de hand om te mengen.
Observeer de reactie gedurende 20 minuten en noteer wanneer de kleur van de oplossing begint te veranderen en vervolgens volledig vervaagt. Wanneer alle kleur is vervaagd, is de reactie voltooid.
Herhaal dezelfde procedure voor de actieve kool controle-oplossing. Naarmate de reactie vordert, verandert de kleur van geel naar kleurloos, wat de consumptie van 4-nitrofenol aangeeft. Om deze verandering te kwantificeren, meet u de UV-Vis-absorptie van het monster bij 400 nm.
Plot de natuurlijke logaritme van de absorptie versus tijd. De absorptie neemt gedurende de reactie af, wat de consumptie van 4-nitrofenol aangeeft. Het controlemonster vertoonde geen katalytische activiteit.
Katalysatoren zijn van vitaal belang voor een breed scala aan industriële en wetenschappelijke gebieden.
In aanwezigheid van een palladiumkatalysator vinden koolstof-koolstof koppelingsreacties plaats, bekend als de Heck-reactie. De Heck-reactie wordt beschouwd als het eerste correcte mechanisme voor overgangsmetaal-gekatalyseerde koppelingsreacties. Het is zo waardevol voor moderne katalyse dat Richard F. Heck de Nobelprijs voor Scheikunde ontving voor zijn ontdekking. De Heck-reactie kan worden uitgevoerd met behulp van een palladiumkatalysator, zoals in dit experiment wordt getoond. Hier werd de katalysator bij kamertemperatuur gesynthetiseerd. Na de reactie werd het product geanalyseerd met be
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.