Wprowadzenie do katalizy
Źródło: Laboratorium Dr. Ryana Richardsa — Szkoła Górnicza w Kolorado
Kataliza jest jedną z najważniejszych dziedzin nowoczesnej technologii i obecnie…
1. Przygotowanie roztworu 4-nitrofenolu zmieszanego z borowodorkiem sodu
- Odważyć 14 mg 4-nitrofenolu i rozpuścić w 10 ml wody demineralizowanej w szklanej fiolce.
- Odważyć 57 mg borowodorku sodu i rozpuścić w 15 ml wody demineralizowanej.
- Wymieszaj oba roztwory i mieszaj magnetycznie przez 30 minut w temperaturze pokojowej do uzyskania jednolitego roztworu. Fartuch laboratoryjny, okulary ochronne i rękawice są potrzebne jako standardowa ochrona protokołu.
2. Przygotowanie roztworu katalizatora
- Odważyć odpowiednio 10 mg palladu na węglu aktywnym i palladu na granulowanym węglu. Zważyć 10 mg węgla aktywnego jako grupę kontrolną.
- Przenieść zważone katalizatory do fiolki i dodać 100 ml wody demineralizowanej do każdej fiolki.
- Poddać sonifikacji fiolek o mocy wyjściowej 135 W przez 10 minut, aż katalizatory zostaną dobrze rozprowadzone w wodzie.
3. Katalityczna redukcja 4-nitrofenolu
- Odmierzyć 1,15 ml przygotowanego roztworu 4-nitrofenolu i borowodorku sodu, przenieść do szklanej fiolki o pojemności 5 ml.
- Zapisać kolor roztworu w fiolce, odczekać 10 minut i zanotować, czy nastąpiła jakakolwiek zmiana koloru roztworu.
- Dodać 1 ml przygotowanego palladu na roztworze katalizatora z węglem aktywnym do fiolki, potrząsać fiolką ręcznie przez 20 s. Obserwować reakcję przez 20 minut, odnotować, kiedy kolor roztworu zaczyna się zmieniać i kiedy kolor roztworu całkowicie blaknie do poziomu przezroczystego.
- Powtórzyć tę samą procedurę z palladem na granulowanym roztworze katalizatora węglowego.
- Powtórzyć tę samą procedurę z roztworem katalizatora z węglem aktywnym.
- Porównaj zmianę koloru między trzema katalizatorami po 0, 5, 10, 15 i 20 minutach czasu reakcji. Aby określić ilościowo tę zmianę, należy zmierzyć widma UV-VIS próbki w 20-minutowym interwale reakcji.
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Katalizatory to substancje, które są dodawane do układów chemicznych, aby umożliwić szybsze zachodzenie reakcji chemicznych przy mniejszym zużyciu energii.
Minimalna ilość energii potrzebna do zainicjowania reakcji nazywana jest energią aktywacji. Katalizatory zapewniają alternatywną ścieżkę reakcji o niższej energii aktywacji, dzięki czemu reakcja może zachodzić w mniej ekstremalnych warunkach. Energia aktywacji jest opisana równaniem Arrheniusa.
Enzymy to cząsteczki biologiczne, które zachowują się jak niezwykle specyficzne katalizatory. Enzymy są zależne od kształtu i kierują cząsteczki reagentów, zwane substratami, do optymalnej konfiguracji reakcji. Katalizatory jednorodne znajdują się w tej samej fazie co reagenty. Najczęściej zarówno katalizator, jak i reagenty rozpuszczają się w fazie ciekłej. W katalizie heterogenicznej katalizator i reagenty znajdują się w różnych fazach, oddzielonych granicą fazy. Zwykle katalizatory heterogeniczne są stałe i składają się z jednostki katalitycznej w skali nano, zwykle nanocząstki metalu, która jest zdyspergowana na materiale nośnym.
Materiał nośny, zwykle węgiel, krzemionka lub tlenek metalu, służy do zwiększenia powierzchni i nadania stabilności przed agregacją nanocząstek. Porowate membrany i kulki, siatki i ułożone w stos arkusze to tylko niektóre z geometrii podpór stosowanych w katalizie.
W katalizie heterogenicznej nanocząstki mają aktywne miejsca na powierzchni, w których zachodzi reakcja. W zależności od reakcji, te aktywne miejsca mogą być płaskimi powierzchniami lub krawędziami kryształów na powierzchni cząstki. Zazwyczaj mniejsze nanocząstki mają wyższą aktywność katalityczną, ze względu na większą ilość atomów powierzchniowych na mol katalizatora.
Ten film przedstawi podstawy katalizy i pokaże, jak przeprowadzić podstawową reakcję katalityczną w laboratorium.
Istnieje kilka rodzajów katalizatorów. W wysokiej temperaturze cząsteczki poruszają się szybciej i częściej się zderzają. Ponieważ proporcja zderzeń molekularnych jest wyższa, reagenty mają wystarczającą energię, aby pokonać energię aktywacji reakcji. Katalizator zapewnia alternatywny mechanizm reakcji, który zwiększa odsetek zderzeń w niższej temperaturze, zmniejszając w ten sposób ilość energii potrzebnej do zakończenia reakcji. Katalizator może uczestniczyć w wielu przemianach chemicznych, jednak po zakończeniu reakcji pozostaje niezmieniony i może być poddany recyklingowi i ponownie wykorzystany.
Reakcja na powierzchni katalizatora rozpoczyna się od adsorpcji odczynników do miejsca aktywnego, po której następuje reakcja na powierzchni. Reakcja powierzchniowa może zachodzić między jednym zaadsorbowanym gatunkiem a jednym w masie, zwanym mechanizmem Eleya-Rideala, lub między dwoma zaadsorbowanymi gatunkami, zwanymi mechanizmem Langmuira-Hinshelwooda. Produkty następnie desorbują się z powierzchni do masy.
Teraz, gdy rozumiesz podstawy katalizy, przyjrzyjmy się redukcji 4-nitrofenolu do 4-aminofenolu przy użyciu dostępnego na rynku katalizatora palladowego na podłożu węgla aktywnego. Postęp reakcji będzie mierzony za pomocą zmiany koloru, która zachodzi podczas reakcji.
Przed rozpoczęciem eksperymentu należy założyć odpowiednie środki ochrony osobistej, takie jak fartuch laboratoryjny, okulary ochronne i rękawice. Aby przygotować materiały, najpierw zważ 14 mg 4-nitrofenolu i rozpuść go w 10 ml dejonizowanej wody w szklanej fiolce, aby uzyskać 10 mM roztworu. Następnie odważyć 57 mg borowodorku sodu i rozpuść go w 15 ml wody demineralizowanej, aby uzyskać 100 mM roztwór. Wymieszaj te dwa i wymieszaj w temperaturze pokojowej, aby uzyskać jednolity roztwór. Kolor roztworu nie powinien się zmieniać, ponieważ borowodorek sodu nie może całkowicie zredukować 4-nitrofenolu bez katalizatora. Odważyć 10 mg palladu na węglu aktywnym i 10 mg węgla aktywnego bez katalizatora jako próbkę kontrolną.
Przenieś zważone katalizatory do oddzielnych fiolek i dodaj do każdej z nich 100 ml wody dejonizowanej. Poddaj fiolki sonifikacjom o mocy wyjściowej 135 watów, aż katalizatory zostaną dobrze rozprowadzone w wodzie.
Teraz, gdy materiały są przygotowane, można przeprowadzić katalityczną redukcję 4-nitrofenolu. Odmierzyć 1,15 ml przygotowanego roztworu 4-nitrofenolu i borowodorku sodu i przenieść do szklanej fiolki o pojemności 5 ml.
Obserwować i zapisywać kolor roztworu w fiolce. Dodać 1 ml przygotowanego roztworu katalizatora palladu z węglem aktywnym do fiolki i wstrząsnąć ręką w celu wymieszania.
Obserwuj reakcję przez 20 minut i zapisuj, kiedy kolor roztworu zaczyna się zmieniać, a następnie całkowicie zanika. Kiedy cały kolor wyblaknie, reakcja jest zakończona.
Powtórzyć tę samą procedurę dla roztworu kontrolnego z węglem aktywnym. W miarę postępu reakcji kolor zmienia się z żółtego na bezbarwny, co wskazuje na zużycie 4-nitrofenolu. Aby określić ilościowo tę zmianę, należy zmierzyć absorbancję UV-VIS próbki przy długości fali 400 nm.
Wykreśl logarytm naturalny absorbancji w funkcji czasu. Absorbancja zmniejsza się w trakcie reakcji, co wskazuje na zużycie 4-nitrofenolu. W próbie kontrolnej nie wykazano aktywności katalitycznej.
Katalizatory mają kluczowe znaczenie dla wielu dziedzin przemysłu i nauki.
W obecności katalizatora palladowego zachodzą reakcje sprzęgania węgiel-węgiel, znane jako reakcja Hecka. Reakcja Hecka jest uważana za pierwszy prawidłowy mechanizm reakcji sprzęgania katalizowanych metalami przejściowymi. Jest tak cenny dla współczesnej katalizy, że Richard F. Heck otrzymał za swoje odkrycie Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Reakcję Heck'a można przeprowadzić przy użyciu katalizatora palladowego, jak pokazano w tym eksperymencie. W tym przypadku katalizator został zsyntetyzowany w temperaturze pokojowej. Po reakcji produkt poddano analizie za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR).
W naturze enzymy są katalizatorami, które umożliwiają szeroki zakres reakcji biologicznych. Na przykład kinaza octanowa jest enzymem występującym w mikroorganizmach, który ułatwia odwracalną konwersję octanu do acetylofosforanu.
Aktywność enzymu mierzono za pomocą spektrofotometrii UV-Vis z krzywą standardową.
Ilość zużytego fosforanu acetylu była monitorowana przez cały czas reakcji, a kinetyka enzymu wykreślana w funkcji czasu.
Polimery to kolejna dziedzina, która może wykorzystać katalizę. Tutaj zsyntetyzowano cząstki polimeru w kształcie gwiazdy.
Najpierw katalizator został przygotowany i wysuszony w temperaturze pokojowej. Gałęzie polimeru zostały następnie zmieszane z katalizatorem, a następnie dodano środek sieciujący w celu utworzenia cząstek.
Wielkość cząstek analizowano następnie za pomocą chromatografii żelowej. Nanocząstki polimerowe, takie jak polimery gwiaździste wytworzone w tym przykładzie, są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, takich jak dostarczanie leków i samoorganizacja.
Właśnie obejrzałeś Wprowadzenie do katalizy JoVE. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś zrozumieć koncepcję katalizy i sposób przeprowadzenia prostej reakcji w laboratorium.
Dzięki za oglądanie!
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.