Katalize Giriş
Kaynak: Dr. Ryan Richards'ın Laboratuvarı — Colorado Maden Okulu
Kataliz, modern teknolojinin en önemli alanlarından biridir ve şu anda gayri safi yur…
1. Sodyum Borhidrür ile Karıştırılmış 4-Nitrofenol Çözeltisinin Hazırlanması
- 14 mg 4-nitrofenol ağırlığında ve bir cam şişede 10 mL DI suda çözün.
- 57 mg sodyum borhidrür ağırlığında ve 15 mL DI suda çözülür.
- İki çözeltiyi karıştırın ve homojen bir çözelti elde etmek için oda sıcaklığında 30 dakika manyetik karıştırın. Standart protokol koruması olarak laboratuvar önlüğü, koruyucu gözlük ve eldivenler gereklidir.
2. Katalizör Çözeltisinin Hazırlanması
- Sırasıyla aktif karbon üzerinde 10 mg paladyum ve granül karbon üzerinde paladyum tartın. Kontrol grubu olarak 10 mg aktif karbon tartın.
- Tartılan katalizörleri bir şişeye aktarın ve her şişeye 100 mL DI su ekleyin.
- Katalizörler suda iyi dağılana kadar şişeleri 10 dakika boyunca 135 W çıkış gücüyle sonikasyona tabi tutun.
3. 4-Nitrofenolün Katalitik İndirgenmesi
- 1.15 mL hazırlanmış 4-nitrofenol ve sodyum borhidrür çözeltisini ölçün, 5 mL'lik bir cam şişeye aktarın.
- Çözeltinin rengini şişeye kaydedin, 10 dakika bekleyin ve çözeltinin renginde herhangi bir değişiklik olup olmadığını kaydedin.
- Şişeye aktif karbon katalizör çözeltisi üzerine 1 mL hazırlanmış paladyum ekleyin, şişeyi 20 saniye boyunca elle çalkalayın. Reaksiyonu 20 dakika boyunca gözlemleyin, çözelti renginin ne zaman değişmeye başladığını ve çözelti renginin tamamen şeffaf hale geldiğini kaydedin.
- Aynı işlemi granül karbon katalizör çözeltisi üzerindeki paladyum ile tekrarlayın.
- Aynı işlemi aktif karbon katalizör çözeltisi ile tekrarlayın.
- 0, 5, 10, 15 ve 20 dakikalık reaksiyon süresinden sonra üç katalizör arasındaki renk değişimini karşılaştırın. Bu değişikliği ölçmek için, 20 dakikalık reaksiyon aralığı sırasında numunenin UV-Vis spektrumlarını ölçün.
Katalizörler, kimyasal reaksiyonların daha az enerji kullanarak daha hızlı gerçekleşmesini sağlamak için kimyasal sistemlere eklenen maddelerdir.
Bir reaksiyonu başlatmak için gereken minimum enerji miktarına aktivasyon enerjisi denir. Katalizörler, reaksiyonun daha az aşırı koşullar altında gerçekleşmesine izin vererek, daha düşük aktivasyon enerjisine sahip alternatif bir reaksiyon yolu sağlar. Aktivasyon enerjisi Arrhenius denklemi ile tanımlanır.
Enzimler, son derece spesifik katalizörler gibi davranan biyolojik moleküllerdir. Enzimler şekle özgüdür ve substrat adı verilen reaktan moleküllerini reaksiyon için en uygun konfigürasyona yönlendirir. Homojen katalizörler, reaktanlarla aynı fazdadır. En sık olarak, katalizör ve reaktanların her ikisi de sıvı fazda çözülür. Heterojen katalizde, katalizör ve reaktanlar, bir faz sınırı ile ayrılmış farklı fazlardadır. Genel olarak, heterojen katalizörler katıdır ve bir destek malzemesi üzerinde dağılmış nano ölçekli bir katalitik varlıktan, tipik olarak bir metal nanoparçacıktan oluşur.
Destek malzemesi, genellikle karbon, silika veya bir metal oksit, yüzey alanını arttırmak ve nanopartiküllerin toplanmasına karşı stabilite sağlamak için kullanılır. Gözenekli membranlar ve boncuklar, ağ ve istiflenmiş levhalar, katalizde kullanılan destek geometrilerinden bazılarıdır.
Heterojen katalizde, nanopartiküller reaksiyonun gerçekleştiği yüzeyde aktif bölgelere sahiptir. Reaksiyona bağlı olarak, bu aktif bölgeler parçacığın yüzeyindeki düzlemsel yüzler veya kristal kenarlar olabilir. Tipik olarak, daha küçük nanopartiküller, katalizörün molü başına daha yüksek yüzey atomu miktarı nedeniyle daha yüksek katalitik aktiviteye sahiptir.
Bu video, katalizin temellerini vurgulayacak ve laboratuvarda temel bir katalitik reaksiyonun nasıl gerçekleştirileceğini gösterecektir.
Birkaç tür katalizör vardır. Yüksek sıcaklıkta moleküller daha hızlı hareket eder ve daha sık çarpışır. Moleküler çarpışmaların oranı daha yüksek olduğundan, reaktanlar reaksiyonun aktivasyon enerjisinin üstesinden gelmek için yeterli enerjiye sahiptir. Katalizör, daha düşük bir sıcaklıkta çarpışmaların oranını artıran ve böylece reaksiyonu tamamlamak için gereken enerji miktarını azaltan alternatif bir reaksiyon mekanizması sağlar. Katalizör birden fazla kimyasal dönüşüme katılabilir, ancak reaksiyonun tamamlanmasında değişmez ve geri dönüştürülebilir ve yeniden kullanılabilir.
Katalizör yüzeyindeki reaksiyon, reaktiflerin aktif bölgeye adsorpsiyonu ile başlar ve ardından yüzeydeki reaksiyon devam eder. Yüzey reaksiyonu, Eley-Rideal mekanizması olarak adlandırılan bir adsorbe edilmiş tür ile yığın halindeki bir tür arasında veya Langmuir-Hinshelwood mekanizması olarak adlandırılan iki adsorbe edilmiş tür arasında meydana gelebilir. Ürünler daha sonra yüzeyden toplu olarak desorbe olur.
Artık katalizin temellerini anladığınıza göre, yer aktif karbonu üzerinde desteklenen ticari olarak temin edilebilen bir paladyum katalizörü kullanarak 4-nitrofenolün 4-aminofenole indirgenmesine bakalım. Reaksiyon ilerlemesi, reaksiyon sırasında meydana gelen renk değişimi kullanılarak ölçülecektir.
Deneye başlamadan önce, laboratuvar önlüğü, koruyucu gözlük ve eldiven gibi uygun kişisel koruyucu ekipman giydiğinizden emin olun. Malzemeleri hazırlamak için önce 14 mg 4-nitrofenolü tartın ve 10 mM'lik bir çözelti elde etmek için bir cam şişede 10 mL deiyonize su içinde çözün. Daha sonra, 57 mg sodyum borhidrürü tartın ve 100 mM'lik bir çözelti elde etmek için 15 mL DI suda çözün. İkisini karıştırın ve homojen bir çözelti oluşturmak için oda sıcaklığında karıştırın. Sodyum borhidrür, katalizör olmadan 4-nitrofenolü tamamen indirgeyemediğinden, çözelti rengi değişmemelidir. Kontrol numunesi olarak aktif karbon üzerinde 10 mg paladyum ve katalizörsüz 10 mg aktif karbon tartın.
Tartılan katalizörleri ayrı şişelere aktarın ve her birine 100 mL deiyonize su ekleyin. Katalizörler suda iyi dağılana kadar şişeleri 135 Watt çıkış gücüyle sonikleştirin.
Artık malzemeler hazırlandığına göre, 4-nitrofenolün katalitik indirgemesi gerçekleştirilebilir. Hazırlanan 4-nitrofenol ve sodyum borhidrür çözeltisinin 1.15 mL'sini ölçün ve 5 mL'lik bir cam şişeye aktarın.
Şişedeki çözeltinin rengini gözlemleyin ve kaydedin. Hazırlanan paladyumdan 1 mL aktif karbon katalizör çözeltisi üzerine flakon ekleyin ve karıştırmak için elinizle çalkalayın.
Reaksiyonu 20 dakika boyunca gözlemleyin ve çözelti renginin değişmeye başladığını ve ardından tamamen solmaya başladığını kaydedin. Rengin tamamı solduğunda, reaksiyon tamamlanır.
Aktif karbon kontrol çözeltisi için aynı prosedürü tekrarlayın. Reaksiyon ilerledikçe renk sarıdan renksize değişir ve bu da 4-nitrofenol tüketimini gösterir. Bu değişikliği ölçmek için, numunenin UV-Vis absorbansını 400 nm'de ölçün.
Zamana karşı doğal emicilik günlüğünü çizin. Absorbans, reaksiyon boyunca azalır ve bu da 4-nitrofenol tüketimini gösterir. Kontrol numunesi hiçbir katalitik aktivite göstermedi.
Katalizörler, çok çeşitli endüstriyel ve bilimsel alanlar için hayati öneme sahiptir.
Bir paladyum katalizörünün varlığında, Heck Reaksiyonu olarak bilinen karbon-karbon birleştirme reaksiyonları meydana gelir. Heck reaksiyonu, geçiş metali katalizli eşleşme reaksiyonları için ilk doğru mekanizma olarak kabul edilir. Richard F. Heck'in keşfi için Nobel Kimya Ödülü'nü alması modern kataliz için çok değerlidir. Heck Reaksiyonu, bu deneyde gösterildiği gibi bir paladyum katalizörü kullanılarak gerçekleştirilebilir. Burada, katalizör oda sıcaklığında sentezlendi. Reaksiyondan sonra, ürün nükleer manyetik rezonans spektroskopisi veya NMR kullanılarak analiz edildi.
Doğada enzimler, çok çeşitli biyolojik reaksiyonları mümkün kılan katalizörlerdir. Örneğin, asetat kinaz, mikroorganizmalarda bulunan ve asetatın asetil fosfata geri dönüşümünü kolaylaştıran bir enzimdir.
Enzim aktivitesi, standart bir eğri ile UV-Vis spektrofotometrisi kullanılarak ölçüldü.
Tüketilen asetil fosfat miktarı reaksiyon boyunca izlendi ve enzim kinetiği zamanın bir fonksiyonu olarak çizildi.
Polimerler, katalizden yararlanabilecek başka bir alandır. Burada, yıldız şeklindeki polimer parçacıkları sentezlendi.
İlk olarak, katalizör hazırlandı ve oda sıcaklığında kurutuldu. Polimer dalları daha sonra katalizör ile karıştırıldı ve daha sonra parçacıkları oluşturmak için bir çapraz bağlayıcı eklendi.
Partikül boyutu daha sonra jel geçirgenlik kromatografisi kullanılarak analiz edildi. Polimerik nanopartiküller, bu örnekte üretilen yıldız polimerleri gibi, ilaç dağıtımı ve kendi kendine montaj gibi çok çeşitli uygulamalar için kullanılır.
Az önce JoVE'nin katalize giriş bölümünü izlediniz. Bu videoyu izledikten sonra, kataliz kavramını ve laboratuvarda basit bir reaksiyonun nasıl yürütüleceğini anlamalısınız.
İzlediğiniz için teşekkürler!
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.