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Organic Chemistry
 

Introduction à la catalyse

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Catalyseurs sont des substances qui sont ajoutées aux systèmes chimiques pour permettre des réactions chimiques se produisent plus rapidement, en utilisant moins d’énergie.

Le montant minimum d’énergie nécessaire pour déclencher une réaction s’appelle l’énergie d’activation. Catalyseurs fournissent une autre voie réactionnelle avec une énergie d’activation inférieure, permettant ainsi la réaction de se dérouler dans des conditions moins extrêmes.

À haute température, les molécules se déplacent plus rapidement et se heurtent plus fréquemment. Puisque la proportion de collisions moléculaires est plus élevée, les réactifs ont assez d’énergie pour surmonter l’énergie d’activation de la réaction. Le catalyseur fournit un mécanisme alternatif qui augmente la proportion de collisions à une température plus basse, ce qui diminue la quantité d’énergie nécessaire pour achever la réaction. Le catalyseur peut participer à plusieurs transformations chimiques, mais il est resté inchangé à la fin de la réaction et peut être recyclé et réutilisé.

Cette vidéo va mettre en évidence les bases de la catalyse et montrent comment effectuer une réaction catalytique de base en laboratoire.

Il existe plusieurs types de catalyseurs. Les enzymes sont des molécules biologiques qui se comportent comme des catalyseurs extrêmement précises. Enzymes sont de forme spécifique et guident les molécules de réactifs, appelées substrats, dans la configuration optimale pour la réaction. Les catalyseurs homogènes sont dans la même phase que les réactifs. Le plus souvent, le catalyseur et les réactifs sont tous deux dissous dans la phase liquide. En catalyse hétérogène, le catalyseur et les réactifs sont dans des phases différentes, séparées par une frontière de phase. Couramment, les catalyseurs hétérogènes sont solides et consistent en une entité catalytique de nano-échelle, généralement une NANOPARTICULE métallique, qui est dispersée sur un matériel de soutien.

Le matériel de support, généralement carbone, silice ou un oxyde métallique, est utilisé pour augmenter la surface et de répandre la stabilité contre l’agrégation des nanoparticules. Membranes poreuses et perles, maille et les feuilles empilées sont quelques-uns des géométries soutien utilisés dans la catalyse.

En catalyse hétérogène, nanoparticules ont des sites actifs sur la surface, où la réaction a lieu. Selon la réaction de ces sites actifs pourraient être faces planes ou bords de cristal sur la surface de la particule. En général, nanoparticules plus petits ont une activité catalytique plus élevée, en raison de la plus grande quantité de surfaces atomes par mole de catalyseur.

La réaction sur la surface du catalyseur commence par adsorption des réactifs au site actif, suivi de la réaction à la surface. La réaction de surface peut se produire entre une espèce adsorbée et celui de la plus grande partie, appelée le mécanisme Eley-Rideal, ou entre deux espèces adsorbées, appelés le mécanisme de Langmuir-Hinshelwood. Les produits ensuite désorber de la surface dans la masse.

Maintenant que vous comprenez les bases de la catalyse, regardons la réduction du 4-nitrophénol en 4-aminophénol, à l’aide d’un catalyseur au palladium commercialement disponibles pris en charge sur les actifs carbone au sol. L’avancement de la réaction sont mesuré en utilisant le changement de couleur qui se produit lors de la réaction.

Avant de commencer l’expérience, n’oubliez pas de porter l’équipement de protection individuelle approprié, comme une blouse de laboratoire, des lunettes et des gants. Pour préparer le matériel, tout d’abord peser 14 mg du 4-nitrophénol et dissoudre dans 10 mL d’eau désionisée dans un flacon en verre pour faire une solution de 10 mM. Ensuite, peser 57 mg de borohydrure de sodium et le dissoudre dans 15 mL de l’eau distillée pour préparer une solution à 100 mM. Mélanger les deux et remuez à la température ambiante pour former une solution uniforme. La couleur de la solution ne doit pas changer, car le borohydrure de sodium ne peut pas réduire entièrement 4-nitrophénol sans le catalyseur. Peser 10 du palladium sur charbon actif et 10 mg de charbon actif sans catalyseur comme un échantillon de contrôle.

Transférer les catalyseurs pesés dans des flacons séparés et ajouter 100 mL d’eau désionisée à chacune. Jusqu'à ce que les catalyseurs sont bien réparties dans l’eau, laisser agir les flacons avec une puissance de 135 Watts.

Maintenant que les matériaux sont préparés, la réduction catalytique du 4-nitrophénol peut être effectuée. Mesurer 1,15 mL du 4-nitrophénol préparé et solution de borohydrure de sodium et transférer dans un flacon en verre de 5 mL.

Observez et la couleur de la solution dans le flacon. Ajouter 1 mL du palladium préparé sur solution de catalyseur de charbon actif dans le flacon et agiter à la main pour bien mélanger.

Observez la réaction pendant 20 min et où la couleur de la solution commence à changer et puis disparaît complètement. Lorsque toutes les couleurs a disparu, la réaction est terminée.

Répétez la même procédure pour la solution de contrôle du charbon actif. Comme la réaction progresse, les changements de couleur du jaune incolore, ce qui indique la consommation du 4-nitrophénol. Afin de quantifier ce changement, mesurer l’absorbance UV-Vis de l’échantillon à 400 nm.

Tracer le logarithme naturel de l’absorbance en fonction du temps. L’absorbance diminue au cours de la réaction, ce qui indique la consommation du 4-nitrophénol. L’échantillon de contrôle a montré aucune activité catalytique.

Catalyseurs sont d’une importance vitale pour un large éventail de domaines industriels et scientifiques.

En présence d’un catalyseur au palladium, réactions de couplage carbone-carbone se produisent, connue comme la réaction de Heck. La réaction de Heck est considérée comme le premier mécanisme exact des réactions de couplage catalysées par des métaux de transition. Il est donc utile de catalyse moderne que Richard F. Heck a reçu le prix Nobel en chimie pour sa découverte. La réaction de Heck peut être effectuée à l’aide d’un catalyseur au palladium, comme illustré dans cette expérience. Ici, le catalyseur a été synthétisé à température ambiante. Après la réaction, le produit a été analysé à l’aide de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, ou NMR.

Dans la nature, les enzymes sont des catalyseurs qui permettent à un large éventail de réactions biologiques. Par exemple, l’acétate kinase est une enzyme présente chez les micro-organismes qui facilite la conversion réversible d’acétate d’acétyl phosphate.

L’activité enzymatique a été mesurée à l’aide de spectrophotométrie UV-visible, avec une courbe d’étalonnage.

La quantité de phosphate d’acétyle consommée a été suivie tout au long de la réaction, et la cinétique enzymatique tracés en fonction du temps.

Les polymères sont un autre domaine qui peut tirer profit de la catalyse. Ici, on a synthétisé des particules de polymère en forme d’étoile.

Tout d’abord, le catalyseur a été préparé et séché à température ambiante. Les branches de polymère ont été ensuite mélangés avec le catalyseur, et puis un réticulant a été ajouté pour former des particules.

La taille des particules a été ensuite analysée à l’aide de la chromatographie par perméation de gel. Les nanoparticules polymériques, comme les étoiles polymères fabriqués dans cet exemple, sont utilisés pour un large éventail d’applications telles que l’administration de médicaments et d’auto-assemblage.

Vous avez juste regardé Introduction de JoVE à la catalyse. Après avoir visionné cette vidéo, vous devez comprendre le concept de la catalyse et la façon d’exécuter une simple réaction en laboratoire.

Merci de regarder !

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