Введение в катализ
Источник: Лаборатория доктора Райана Ричардса — Колорадская горная школа
Катализ является одной из наиболее важных областей современных технологий и в…
1. Приготовление раствора 4-нитрофенола в смеси с борогидридом натрия
- Взвесьте 14 мг 4-нитрофенола и растворите в 10 мл деионизированной воды в стеклянном флаконе.
- Весить 57 мг борогидрида натрия и растворить в 15 мл деионизированной воды.
- Смешайте два раствора и магнитом перемешайте в течение 30 минут при комнатной температуре до получения однородного раствора. Лабораторный халат, защитные очки и перчатки необходимы в качестве стандартной защиты протокола.
2. Приготовление раствора катализатора
- Весить 10 мг палладия на активированном угле и палладия на гранулированном угле соответственно. Масса активированного угля 10 мг в качестве контрольной группы.
- Переложите взвешенные катализаторы во флакон и добавьте в каждый флакон по 100 мл деионизионной воды.
- Обработайте флаконы ультразвуком с выходной мощностью 135 Вт в течение 10 мин до тех пор, пока катализаторы хорошо не распределятся в воде.
3. Каталитическое восстановление 4-нитрофенола
- Отмерьте 1,15 мл приготовленного раствора 4-нитрофенола и боргидрида натрия, переложите в стеклянный флакон объемом 5 мл.
- Запишите цвет раствора во флаконе, подождите 10 минут и запишите, есть ли изменение цвета раствора.
- Добавьте во флакон 1 мл приготовленного палладия на растворе катализатора с активированным углем, встряхните флакон вручную в течение 20 с. Наблюдайте за реакцией в течение 20 мин, записывайте, когда цвет раствора начинает меняться, а когда цвет раствора полностью становится прозрачным.
- Повторите ту же процедуру с палладием на гранулированном растворе углеродного катализатора.
- Повторите ту же процедуру с раствором катализатора с активированным углем.
- Сравните изменение цвета между тремя катализаторами через 0, 5, 10, 15 и 20 минут времени реакции. Чтобы количественно оценить это изменение, измерьте УФ-ВИД спектры образца в течение 20-минутного интервала реакции.
Катализаторы — это вещества, которые добавляются в химические системы, чтобы химические реакции протекали быстрее, используя меньше энергии.
Минимальное количество энергии, необходимое для начала реакции, называется энергией активации. Катализаторы обеспечивают альтернативный путь реакции с более низкой энергией активации, что позволяет протекать реакции в менее экстремальных условиях. Энергия активации описывается уравнением Аррениуса.
Ферменты — это биологические молекулы, которые ведут себя как чрезвычайно специфические катализаторы. Ферменты имеют специфичную форму и направляют молекулы реакции, называемые субстратами, в оптимальную конфигурацию для реакции. Гомогенные катализаторы находятся в той же фазе, что и реагенты. Чаще всего катализатор и реагенты растворяются в жидкой фазе. При гетерогенном катализе катализатор и реагенты находятся в разных фазах, разделенных фазовой границей. Как правило, гетерогенные катализаторы являются твердыми и состоят из наноразмерного каталитического соединения, обычно наночастицы металла, которые диспергируются на материале-носителе.
Материал носителя, обычно углерод, диоксид кремния или оксид металла, используется для увеличения площади поверхности и придания устойчивости к агрегации наночастиц. Пористые мембраны и шарики, сетки и уложенные листы — вот некоторые из опорных геометрий, используемых в катализе.
При гетерогенном катализе наночастицы имеют активные участки на поверхности, где и происходит реакция. В зависимости от реакции, эти активные центры могут быть плоскими гранями или кристаллическими краями на поверхности частицы. Как правило, наночастицы меньшего размера обладают более высокой каталитической активностью из-за большего количества поверхностных атомов на моль катализатора.
В этом видео будут освещены основы катализа и показано, как выполнить базовую каталитическую реакцию в лаборатории.
Существует несколько видов катализаторов. При высокой температуре молекулы движутся быстрее и сталкиваются чаще. Поскольку доля молекулярных столкновений выше, реагенты обладают достаточной энергией для преодоления энергии активации реакции. Катализатор обеспечивает альтернативный механизм реакции, который увеличивает долю столкновений при более низкой температуре, тем самым уменьшая количество энергии, необходимой для завершения реакции. Катализатор может участвовать в нескольких химических превращениях, однако он остается неизменным по завершении реакции и может быть переработан и использован повторно.
Реакция на поверхности катализатора начинается с адсорбции реагентов к активному центру, за которой следует реакция на поверхности. Поверхностная реакция может происходить между одним адсорбированным веществом и одним в объеме, что называется механизмом Эли-Ридеала, или между двумя адсорбированными веществами, называемым механизмом Ленгмюра-Хиншелвуда. Затем продукты десорбируются с поверхности в массу.
Теперь, когда вы понимаете основы катализа, давайте рассмотрим восстановление 4-нитрофенола до 4-аминофенола с помощью коммерчески доступного палладиевого катализатора, основанного на молотом активированном угле. Ход реакции будет измеряться с помощью изменения цвета, которое происходит во время реакции.
Перед началом эксперимента обязательно наденьте соответствующие средства индивидуальной защиты, такие как лабораторный халат, защитные очки и перчатки. Для приготовления материалов сначала взвесьте 14 мг 4-нитрофенола и растворите его в 10 мл деионизированной воды в стеклянном флаконе до получения 10 мМ раствора. Затем взвесьте 57 мг борогидрида натрия и растворите его в 15 мл деионизированной воды, чтобы получить 100 мМ раствор. Смешайте их и перемешайте при комнатной температуре, чтобы образовался однородный раствор. Цвет раствора не должен меняться, так как боргидрид натрия не может полностью восстановиться 4-нитрофенол без катализатора. Массу 10 мг палладия на активированном угле и 10 мг активного угля без катализатора в качестве контрольного образца.
Переложите взвешенные катализаторы в отдельные флаконы и добавьте в каждый по 100 мл деионизированной воды. Обработайте пробирки ультразвуком с выходной мощностью 135 Вт до тех пор, пока катализаторы хорошо не распределятся в воде.
Теперь, когда материалы подготовлены, можно проводить каталитическое восстановление 4-нитрофенола. Отмерьте 1,15 мл приготовленного раствора 4-нитрофенола и боргидрида натрия и переложите в стеклянный флакон объемом 5 мл.
Наблюдайте и записывайте цвет раствора во флаконе. Добавьте во флакон 1 мл приготовленного палладия на активированном угле каталитического раствора и встряхните рукой для перемешивания.
Понаблюдайте за реакцией в течение 20 минут, и запишите, когда цвет раствора начинает меняться, а затем полностью исчезает. Когда весь цвет потускнеет, реакция завершится.
Повторите ту же процедуру для раствора для контроля активированного угля. По мере развития реакции цвет меняется с желтого на бесцветный, что указывает на потребление 4-нитрофенола. Чтобы количественно оценить это изменение, измерьте поглощение образца УФ-ВИД на длине волны 400 нм.
Построение графика естественного логарифма зависимости поглощения от времени. Абсорбция уменьшается в ходе реакции, что указывает на расход 4-нитрофенола. Контрольный образец не показал каталитической активности.
Катализаторы имеют жизненно важное значение для широкого спектра промышленных и научных областей.
В присутствии палладиевого катализатора происходят реакции углерод-углеродного взаимодействия, известные как реакция Хека. Реакция Хека считается первым правильным механизмом для реакций связывания, катализируемых переходными металлами. Он настолько ценен для современного катализа, что Ричард Ф. Хек получил за свое открытие Нобелевскую премию по химии. Реакция Хека может быть выполнена с использованием палладиевого катализатора, как показано в этом эксперименте. Здесь катализатор был синтезирован при комнатной температуре. После реакции продукт анализировали с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса, или ЯМР.
В природе ферменты являются катализаторами, которые обеспечивают широкий спектр биологических реакций. Например, ацетаткиназа – это фермент, содержащийся в микроорганизмах, который способствует обратимому превращению ацетата в ацетилфосфат.
Активность фермента измеряли с помощью УФ-ВИД спектрофотометрии, со стандартной кривой.
Количество потребляемого ацетилфосфата контролировалось на протяжении всей реакции, а кинетика фермента строилась в зависимости от времени.
Полимеры — еще одна область, в которой можно использовать преимущества катализа. Здесь были синтезированы частицы полимера в форме звезды.
Сначала готовили катализатор и сушили при комнатной температуре. Затем полимерные ветви смешивали с катализатором, а затем добавляли сшивающий агент для формирования частиц.
Затем размер частиц был проанализирован с помощью гель-проникающей хроматографии. Полимерные наночастицы, такие как звездчатые полимеры, полученные в этом примере, используются для широкого спектра задач, таких как доставка лекарств и самосборка.
Вы только что посмотрели статью JoVE «Введение в катализ». После просмотра этого видео вы должны понять концепцию катализа и то, как запустить простую реакцию в лаборатории.
Спасибо за просмотр!
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.