$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
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!