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Einführung in die Katalyse

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Katalysatoren sind Stoffe, die chemische Systeme ermöglichen chemische Reaktionen auftreten, schneller, hinzugefügt werden mit weniger Energie.

Die minimale Menge an Energie erforderlich, um eine Reaktion zu initiieren ist die Aktivierungsenergie genannt. Katalysatoren bieten eine Alternative Reaktion Weg mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie, so dass die Reaktion unter weniger extremen Bedingungen stattfinden.

Bei hohen Temperaturen Moleküle bewegen sich schneller und häufiger kollidieren. Da der Anteil der molekulare Kollisionen höher ist, haben die Reaktanden genug Energie, um die Aktivierungsenergie der Reaktion zu überwinden. Der Katalysator bietet einen Alternative Reaktionsmechanismus, der erhöht sich den Anteil der Kollisionen bei einer niedrigeren Temperatur, dadurch Verringerung der Menge an Energie benötigt, um die Reaktion zu vervollständigen. Der Katalysator kann in mehreren chemischen Umwandlungen beteiligen, aber es am Ende der Reaktion unverändert ist und recycelt und wiederverwendet werden kann.

Dieses Video wird die Grundlagen der Katalyse markieren, und zeigen Sie, wie eine grundlegende katalytische Reaktion im Labor durchführen.

Es gibt mehrere Arten von Katalysatoren. Enzyme sind biologische Moleküle, die als äußerst spezielle Katalysatoren zu Verhalten. Enzyme sind spezielle Form und führen Edukt Moleküle, Substrate, in die optimale Konfiguration für Reaktion gestellt. Homogene Katalysatoren sind in der gleichen Phase als die Edukte. Am häufigsten werden Katalysator und Reaktanten sowohl in der flüssigen Phase gelöst. In der heterogenen Katalyse werden Katalysator und Reaktanten in verschiedenen Phasen, getrennt durch eine Phasengrenze. Allgemein, heterogene Katalysatoren sind solide und bestehen aus einer Nano-Maßstab katalytische Einheit, in der Regel ein Metall Nanopartikel, die auf ein Trägermaterial dispergiert wird.

Das Trägermaterial in der Regel Kohlenstoff, Kieselsäure, oder ein Metalloxid, wird verwendet, um die Fläche zu erhöhen und vermitteln Stabilität gegen Aggregation der Nanopartikel. Poröse Membranen und Perlen, Mesh und gestapelten Blätter sind nur einige der Unterstützung Geometrien verwendet in der Katalyse.

In der heterogenen Katalyse haben Nanopartikel aktive Zentren auf der Oberfläche, wo die Reaktion stattfindet. Abhängig von der Reaktion könnte diese aktiven Zentren planaren Flächen oder Kanten Kristall auf der Oberfläche des Partikels. In der Regel haben kleinere Nanopartikel höhere katalytischen Aktivität aufgrund der höheren Anzahl der Oberflächenatome pro Mol des Katalysators.

Die Reaktion auf der Katalysatoroberfläche beginnt mit Adsorption von Reagenzien zur aktiven Seite, gefolgt von der Reaktion auf der Oberfläche. Die Oberflächenreaktion kann zwischen einer adsorbierten Spezies und in loser Schüttung, genannt den Eley-Rideal-Mechanismus, oder zwischen zwei adsorbierten Spezies, genannt den Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus auftreten. Die Produkte desorbieren dann von der Oberfläche in die Masse.

Nun, da Sie die Grundlagen der Katalyse zu verstehen, betrachten wir die Reduktion von 4-Nitrophenol, 4-Aminophenol mit einem handelsüblichen Palladium-Katalysators auf Boden Aktivkohle unterstützt. Der Fortschritt der Reaktion wird die Farbe zu ändern, die während der Reaktion auftritt mit gemessen werden.

Achten Sie vor Beginn des Experiments darauf, geeignetsten persönlichen Schutzausrüstung, z. B. einen Laborkittel, Schutzbrille und Handschuhe tragen. Um die Materialien vorzubereiten, zuerst wiegen Sie 14 mg 4-Nitrophenol und lösen Sie es in 10 mL entionisiertem Wasser in einem Glasfläschchen, eine 10 mM-Lösung zu machen. Als nächstes wiegen Sie 57 mg von Natriumborohydrid und lösen Sie es in 15 mL VE-Wasser, eine 100 mM-Lösung zu machen. Die beiden, verrühren Sie und bei Raumtemperatur zu einer einheitlichen Lösung. Die Farbe der Lösung sollten nicht ändern, da die Natriumborohydrid voll 4-Nitrophenol ohne Katalysator reduziert werden kann. Wiegen Sie 10 mg von Palladium auf Aktivkohle und 10 mg Aktivkohle ohne Katalysator, als ein Beispiel für ein Steuerelement.

Übertragen Sie die gewogenen Katalysatoren in separaten Fläschchen und jeweils fügen Sie 100 mL entionisiertem Wasser hinzu. Beschallen Sie die Fläschchen mit einer Leistung von 135 Watt, bis Katalysatoren im Wasser gut verteilt sind.

Nun, da die Materialien vorbereitet sind, kann die katalytische Reduktion von 4-Nitrophenol durchgeführt werden. Messen Sie 1,15 mL der zubereiteten 4-Nitrophenol und Natrium Natriumborhydrid Lösung und übertragen Sie auf eine 5-mL-Glasflasche.

Beobachten Sie und notieren Sie die Farbe der Lösung in der Durchstechflasche. Die Ampulle 1 mL der vorbereiteten Palladium auf Aktivkohle-Katalysator-Lösung hinzufügen und Mischen von hand schütteln.

Beobachten Sie die Reaktion für 20 min und zeichnen Sie auf, wenn die Lösung Farbe beginnt sich zu verändern und dann völlig verblasst. Wenn alle die Farbe ist verblasst, ist die Reaktion abgeschlossen.

Wiederholen Sie den Vorgang für die Aktivkohle-Control-Lösung. Fortschreiten der Reaktion, die Farbwechsel von gelb, farblos, unter Angabe des Konsums von 4-Nitrophenol. Um diese Änderung zu quantifizieren, Messen UV-Vis-Absorption der Probe bei 400 nm.

Zeichnen Sie den natürlichen Logarithmus der Absorption im Vergleich zur Zeit. Die Absorption verringert sich im Laufe der Reaktion, den Konsum von 4-Nitrophenol angibt. Die Kontrollprobe zeigte keine katalytische Aktivität.

Katalysatoren sind von entscheidender Bedeutung für eine Vielzahl von industriellen und wissenschaftlichen Bereich.

In Anwesenheit eines Palladium-Katalysators auftreten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kupplungsreaktionen, bekannt als die Heck-Reaktion. Die Heck-Reaktion gilt als der erste richtige Mechanismus für Übergangsmetall-katalysierte Kupplungsreaktionen. Es ist so wertvoll für moderne Katalyse, dass Richard F. Heck für seine Entdeckung den Nobelpreis in Chemie erhielt. Die Heck-Reaktion kann erfolgen mit Hilfe eines Palladium-Katalysators in diesem Experiment gezeigt. Hier wurde der Katalysator bei Raumtemperatur synthetisiert. Nach der Reaktion wurde das Produkt mit magnetischen Kernresonanz-Spektroskopie oder NMR analysiert.

In der Natur sind Enzyme Katalysatoren, die eine Vielzahl von biologischen Reaktionen ermöglichen. Z. B. ist Acetat-Kinase ein Enzym, das in Mikroorganismen gefunden, die die reversible Umwandlung von Acetat zu Acetyl-Phosphat erleichtert.

Die Enzymaktivität wurde mittels UV-Vis-Spektrophotometrie, mit einer Standardkurve gemessen.

Die Menge an Acetyl-Phosphat verbraucht wurde während der Reaktions überwacht, und die Enzym-Kinetik als Funktion der Zeit dargestellt.

Polymere sind ein weiteres Feld, das Katalyse nutzen kann. Hier wurden die sternförmige Polymerpartikel synthetisiert.

Zunächst wurde der Katalysator und bei Raumtemperatur getrocknet. Die Polymer-Zweige wurden dann mit dem Katalysator gemischt, und dann ein Vernetzer wurde hinzugefügt, um die Partikel zu bilden.

Die Partikelgröße wurde dann mit Gel Permeation Chromatographie analysiert. Polymeren Nanopartikel, wie die Sterne Polymere hergestellt in diesem Beispiel sind für eine Vielzahl von Anwendungen wie Drug-Delivery und Self-assembly verwendet.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Katalyse beobachtet. Nachdem ich dieses Video, sollten Sie verstehen, das Konzept der Katalyse und Gewusst wie: ausführen eine einfache Reaktion im Labor.

Danke fürs Zuschauen!

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