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Organic Chemistry
 

Introducción a la catálisis

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Catalizadores son sustancias que se añaden a los sistemas químicos para permitir las reacciones químicas que ocurren más rápidamente, usando menos energía.

La cantidad mínima de energía necesaria para iniciar una reacción se llama la energía de activación. Catalizadores proporcionan una ruta de reacción alternativa con una menor energía de activación, permitiendo que la reacción se realice en condiciones menos extremas.

A alta temperatura, las moléculas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia. Puesto que la proporción de colisiones moleculares es más alta, los reactantes tienen suficiente energía para superar la energía de activación de la reacción. El catalizador proporciona un mecanismo de reacción alternativo que aumenta la proporción de colisiones a baja temperatura, lo que disminuye la cantidad de energía necesaria para completar la reacción. El catalizador puede participar en múltiples transformaciones químicas, sin embargo no ha cambiado en la terminación de la reacción y pueden ser reciclado y reutilizado.

Este video se destacan los fundamentos de la catálisis y demostrar cómo llevar a cabo una reacción catalítica básica en el laboratorio.

Existen varios tipos de catalizadores. Las enzimas son moléculas biológicas que se comportan como catalizadores muy específicos. Enzimas son específicos de la forma y orientar las moléculas de reactivo, llamadas sustratos, en la configuración óptima para la reacción. Catalizadores homogéneos son en la misma fase que los reactivos. Más frecuentemente, el catalizador y los reactivos son ambos disueltos en fase líquida. En catálisis heterogénea, el catalizador y los reactivos están en distintas fases, separadas por un límite de la fase. Comúnmente, los catalizadores heterogéneos son sólidos y consisten en una entidad catalítica de nano-escala, típicamente una nanopartícula metálica, que está disperso en un material de apoyo.

El material de apoyo, generalmente carbón, sílice o un óxido metálico, se utiliza para aumentar la superficie e impartir estabilidad frente a la agregación de las nanopartículas. Membranas porosas y granos, malla y hojas apiladas son algunas de las geometrías de apoyo utilizadas en la catálisis.

En catálisis heterogénea, las nanopartículas tienen sitios activos en la superficie, donde ocurre la reacción. Dependiendo de la reacción, estos sitios activos pueden ser caras planas o bordes de cristal en la superficie de la partícula. Nanopartículas más pequeñas tienen una mayor actividad catalítica, debido a la mayor cantidad de superficie átomos por mol de catalizador.

La reacción en la superficie del catalizador comienza con la adsorción de los reactivos en el sitio activo, seguido por la reacción en la superficie. La reacción superficial puede ocurrir entre una especie adsorbida y a granel, llamado el mecanismo de Eley-Rideal, o entre dos especies adsorbidas, llamadas el mecanismo de Langmuir-Hinshelwood. Los productos entonces desorción de la superficie en la mayor parte.

Ahora que usted entiende los fundamentos de la catálisis, echemos un vistazo a la reducción del 4-nitrofenol a 4-aminofenol utilizando un catalizador de paladio disponibles comercialmente soportado sobre carbón activo tierra. Se medirá el progreso de la reacción con el cambio de color que se produce durante la reacción.

Antes de comenzar el experimento, asegúrese de usar equipo de protección personal, como guantes, gafas de seguridad y una bata de laboratorio. Para preparar los materiales, primero pesan 14 mg de 4-nitrofenol y disolver en 10 mL de agua desionizada en un frasco de vidrio para hacer una solución de 10 mM. A continuación, pesar 57 mg de borohidruro de sodio y disolver en 15 mL de agua desionizada para hacer una solución de 100 mM. Mezclar los dos y remover a temperatura ambiente para formar una solución uniforme. No debe cambiar el color de la solución, como el borohidruro de sodio puede reducir completamente 4-nitrofenol sin el catalizador. Pesar 10 mg de paladio sobre carbón activo y 10 mg de carbón activo sin catalizador como una muestra de control.

Transferir los catalizadores pesaron en frascos separados y añadir 100 mL de agua desionizada a cada uno. Someter a ultrasonidos los frascos con una potencia de 135 Watts hasta catalizadores están bien distribuidos en el agua.

Ahora que se preparan los materiales, se puede realizar la reducción catalítica del 4-nitrofenol. Mide 1,15 mL del preparado 4-nitrofenol y solución de borohidruro de sodio y transferir a un frasco de vidrio de 5 mL.

Observar y registrar el color de la solución en el frasco. Añadir 1 mL de paladio preparado en solución de catalizador de carbón activo al vial y agitar con la mano para mezclar.

Observar la reacción durante 20 min y registrar cuando el color de la solución comienza a cambiar y luego se desvanece totalmente. Cuando todo el color se ha desvanecido, la reacción es completa.

Repita el mismo procedimiento para la solución de control de carbón activo. Conforme avanza la reacción, el color cambia de amarillo a incoloro, indicando el consumo de 4-nitrofenol. Para cuantificar este cambio, medir la absorbancia de UV-Vis de la muestra a 400 nm.

Representar el logaritmo natural de la absorbancia frente al tiempo. La absorbancia disminuye en el transcurso de la reacción, indicando el consumo de 4-nitrofenol. La muestra de control no demostró ninguna actividad catalítica.

Catalizadores son de vital importancia para una amplia gama de campos científicos e industriales.

En presencia de un catalizador de paladio, ocurren reacciones de acoplamiento carbono, conocido como la reacción de Heck. La reacción de Heck es considerada como el primer mecanismo correcto para las reacciones de acoplamiento catalizadas de metales de transición. Es tan valioso a la catálisis moderna que Richard F. Heck recibió el Premio Nobel de química por su descubrimiento. La reacción de Heck se puede realizar utilizando un catalizador de paladio, como se muestra en este experimento. Aquí, el catalizador fue sintetizado a temperatura ambiente. Después de la reacción, el producto se analizó mediante espectroscopía de resonancia magnética nuclear, o NMR.

En la naturaleza, las enzimas son catalizadores que permiten una amplia gama de reacciones biológicas. Por ejemplo, cinasa de acetato es una enzima que se encuentra en microorganismos que facilita la conversión reversible de acetato al fosfato del acetilo.

La actividad enzimática se midió mediante espectrofotometría UV-Vis, con una curva estándar.

La cantidad de fosfato de acetilo consumido fue supervisada a lo largo de la reacción, y la cinética de la enzima grafica como una función del tiempo.

Los polímeros son otro campo que puede tomar ventaja de la catálisis. Aquí, se sintetizaron partículas de polímero en forma de estrella.

En primer lugar, el catalizador se preparó y se secaron a temperatura ambiente. Las ramas de polímero se mezclaron entonces con el catalizador, y luego añadió un vinculante para formar las partículas.

El tamaño de las partículas entonces se analizó mediante cromatografía de permeación de gel. Las nanopartículas poliméricas, como los polímeros estrella fabricados en este ejemplo, se utilizan para una amplia gama de aplicaciones tales como el suministro de medicamentos y uno mismo-Asamblea.

Sólo ha visto introducción de Zeus a la catálisis. Después de ver este video, debe entender el concepto de catálisis y cómo ejecutar una reacción simple en el laboratorio.

¡Gracias por ver!

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