SYNTEZA KATALIZATORA ACETYLOOCTANU

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW SYNTEZA KATALIZATORA ACETYLOOCTANU METALU Opiekun: Miejsce ćwiczenia: Agnieszka Śniechota Laboratorium Chemii Fizycznej Czerwona Chemia p. I, sala nr 85 LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I HETEROGENICZNEJ

2 SYNTEZA KATALIZATORA METALOORGANICZNEGO 2 I. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest synteza katalizatora Ni(acac) 2 lub Co(acac) 2, który naleŝy do związków kompleksowych. II. WSTĘP TEORETYCZNY Związki kompleksowe (inaczej kompleksy, związki koordynacyjne) to związki chemiczne, w których moŝna wyróŝnić jeden lub więcej atomów centralnych (atom lub jon przyłączający (koordynujący) cząsteczki), otoczonych przez inne atomy lub ich grupy zwane ligandami, przy czym przynajmniej jedno wiązanie atomu centralnego z ligandem ma charakter wiązania koordynacyjnego. Sumaryczną liczbę pełnych pojedynczych wiązań atomu centralnego z atomami ligandów nazywa się liczbą koordynacyjną. Formalny ładunek przypisywany centralnemu atomowi nazywa się jego stopniem utlenienia. Ze względu na liczbę atomów (lub jonów) centralnych rozróŝnia się: kompleksy jednocentrowe - z jednym atomem centralnym; kompleksy wielocentrowe - z dwoma lub więcej atomami centralnymi; klastery - w których występuje trzy lub więcej atomów metali, które są z sobą bezpośrednio związane, tworząc centralną klatkę, do której są przyłączone ligandy w sposób podobny do zwykłych kompleksów; Ligandy mogą być grupami lub jonami nieorganicznymi (np. H 2 O, NH 3, Cl -, CN - ) lub grupami wywodzącymi się od związków organicznych (np. aminy, alkohole, fenole, fosfiny, etery). Kompleksy zawierające ligandy organiczne dzieli się na: związki metaloorganiczne - w których występuje choć jedno wiązanie metal-węgiel; kompleksy organiczne - w których co prawda występują ligandy organiczne, ale nie łączą się one wiązaniami węgiel-metal; Katalizator jest to substancja, nie biorąca udziału w reakcji, nie zmieniająca się chemicznie lub zmieniająca się stosunkowo mało w porównaniu z substratami biorącymi udział w reakcji. Katalizator bierze udział w przejściowych etapach reakcji i wydziela się pod koniec w stanie chemicznie niezmienionym. Ilościową miarą działania przyspieszającego daną reakcję chemiczną jest aktywność katalizatora, a działania ukierunkowującego jego selektywność. Aktywność katalizatora jest to zdolność katalizatora do przekształcania substratu w kierunku róŝnych produktów. Określa się ją jako szybkość reakcji w określonych warunkach stęŝenia, temperatury i ciśnienia procesu. DuŜa aktywność nie tylko zwiększa szybkość, ale obniŝa temperaturę prowadzenia procesu. Jest to warunek konieczny na to, aby dana substancja była składnikiem aktywnym katalizatora.

3 SYNTEZA KATALIZATORA METALOORGANICZNEGO 3 Obrazowo aktywność katalizatora przedstawia się jako róŝnicę szybkości reakcji katalizowanej ( r kat ) i niekatalizowanej ( r niekat ): A kat = r kat r niekat r kat r niekat 0 Selektywne działanie katalizatora jest to zdolność katalizatora do przyspieszania określonej, poŝądanej reakcji w stosunku do wszystkich moŝliwych reakcji w danych warunkach procesu. Jest warunkiem wystarczającym, aby dana substancja była katalizatorem. Selektywność do produktu i (S i ) to stosunek szybkości zuŝywania substratów na wytworzenie produktu i (r i ) do sumy szybkości zuŝywania substratu na wytworzenie wszystkich produktów (r = r i ): S i ri = 100% = r ni n i 100% Skład chemiczny i fazowy wnętrza i powierzchni oraz tekstura katalizatora zaleŝą często w sposób decydujący od metody otrzymywania katalizatora oraz od jej parametrów zmiennych, takich jak np. temperatura, stęŝenie czy ph roztworu. Wybór metody preparatyki zaleŝy od dalszego przeznaczenia otrzymanych preparatów. Podstawowe etapy preparatyki katalizatora są następujące: wybór substancji wyjściowych wstępne oczyszczanie substancji, rozpuszczanie stałych substancji wyjściowych; otrzymywanie prekursora katalizatora strącanie, impregnacja, adsorpcja z roztworu, wymiana jonowa, reakcje w fazie stałej; traktowanie prekursora odparowywanie, filtrowanie, wymywanie, nanoszenie na nośnik; obróbka termiczna prekursora (otrzymywanie masy aktywnej lub masy na nośniku) suszenie, praŝenie w kontrolowanej atmosferze, rozkład z wydzieleniem części lotnych ew. redukcja, np. tlenków do metali; formowanie katalizatora mielenie, tabletkowanie; KLASYFIKACJA KATALIZATORÓW A. Podział w zaleŝności od właściwości elektronowych Przewodniki elektronowe Są to ciała stałe, barwne, o wysokiej temperaturze topnienia, właściwości ich w duŝym stopniu zaleŝą od domieszek oraz od defektów sieciowych. Dzielą się one na: a) Metale - są to katalizatory w formie elektrofilowej O 2, O 2, O ; b) Półprzewodniki (tlenki, siarczki metali przejściowych, oksysole) - są to katalizatory 2 w formie elektrofilowej O 2, O 2, O i nukleofilowej O ;

4 SYNTEZA KATALIZATORA METALOORGANICZNEGO 4 Półprzewodniki dzieli się ze względu na: Rodzaj przewodnictwa: donorowe (typu n) akceptorowe (typu p) Defekty: samoistne natury stechiometrycznej domieszkowe (wywołane obecnością zanieczyszczeń) Izolatory NaleŜą do nich tlenki grup głównych o stałych wartościowościach, zeolity i glinokrzemiany. B. Podział według typu reakcji zachodzącej na etapie związku przejściowego Katalizatory reakcji homolitycznej Para elektronów wiązania kowalencyjnego między dwoma atomami zostaje rozdzielona między te atomy, które tworzyły wiązanie (a) lub powstaje z elektronów pochodzących od atomów podczas tworzenia wiązania (b): Katalizatory reakcji heterolitycznej A a B A + B b Para elektronów jest zlokalizowana przy jednym z atomów (rozpad wiązania, a) lub pochodzi od jednego tylko z atomów (tworzenie wiązania, b): a + A B A + B b C. Podział ze względu na fazowość układów katalitycznych Jednofazowe: b) Jednoskładnikowe, np. metale; c) Wieloskładnikowe, np. tlenki (V 2 O 5, ZnO); Wielofazowe: stopy (Ni-Cu, Pt-Rh); oksysole (Bi 2 (MoO 4 ) 3, FeSbO 4 ); roztwory stałe (V 2 O 5 -TiO 2 ); a) Klastery metalu na nośnikach (Rh na Al 2 O 3 ); b) Wysepki jednej fazy na drugiej (Ni na TiO 2, V 2 O 5 na SiO 2 ); c) Monowarstwa fazy (V 2 O 5 na TiO 2 ); d) Dwie fazy w kontakcie (kryształy metali na nośnikach); D. Klasyfikacja katalizatorów oparta na podziale Roginskiego Katalizatory na osnowie metali: Pt, Pd, Ni, Rh, Co, złoŝone układy Pt-Re, Pt-Ir, Pd-Pb; typowe reakcje, w których katalizatory biorą udział to: uwodornienie, odwodornienie, całkowite utlenianie;

5 SYNTEZA KATALIZATORA METALOORGANICZNEGO 5 Katalizatory na osnowie tlenków metali przejściowych: kationy grup IV-VIII o róŝnej wartościowości: V, Mo, W, Co, Ni, tlenki, oksysole, roztwory stałe; typowe reakcje, w których katalizatory biorą udział to: selektywne utlenianie, odwodornienie, całkowite utlenianie; Katalizatory kwasowo-zasadowe: tlenki metali grup głównych Si, Al, Mg glinokrzemiany amorficzne lub krystaliczne zeolity; typowe reakcje, w których katalizatory biorą udział to: izomeryzacja, odwodornienie, kraking, alkilowanie; III. WYKONANIE ĆWICZENIA Aparatura: 3 zlewki 250 ml, 1 kolba 100 ml, cylinder 100 ml, pipeta 10ml, krystalizator, łyŝeczka, mieszadło, płyta grzewcza, zestaw do sączenia pod próŝnią, wyparka, waga analityczna. Odczynniki: Chlorek niklu (NiCl 2 6H 2 O), chlorek kobaltu (CoCl 2 6H 2 O), acetyloaceton, metanol, octan sodu, woda destylowana, lód. Preparatyka acetyloactanu niklu (II) 1. W zlewce o pojemności 250 ml 0.05 mola NiCl 2 6H 2 O dodać do 50 ml wody destylowanej, a następnie mieszać na płytce grzewczej z mieszadłem aŝ do rozpuszczenia (roztwór A). 2. W zlewce o pojemności 250 ml 0.1 mola acetyloacetonu rozpuścić w 20 ml metanolu i dodać do roztworu A, ciągle mieszając (roztwór B). 3. W kolbie o pojemności 250 ml 0.1 mola octanu sodu rozpuścić w 30 ml wody destylowanej i dodać do roztworu B, ciągle mieszając (roztwór C). 4. Mając przygotowany roztwór C naleŝy go szybko podgrzać, a następnie schłodzić w łaźni lodowej przez ok. 1 godzinę. 5. Schłodzony roztwór C umieścić w zestawie do sączenia pod próŝnią. W trakcie sączenia (po uprzednim wyłączeniu pompy) naleŝy produkt przemyć kilka razy wodą destylowaną. 6. Następnie umieścić proszek w kolbce i suszyć w wyparce przez ok. 1 godzinę. 7. Wysuszony katalizator zwaŝyć. Analogiczne operacje stosuje się w przypadku preparatyki katalizatora kobaltowego, zastępując NiCl 2 6H 2 O, CoCl 2 6H 2 O. Opracowanie wyników Powstały katalizator naleŝy zwaŝyć i obliczyć jego wydajność.

6 SYNTEZA KATALIZATORA METALOORGANICZNEGO 6 IV. ZASADY BEZPIECZENSTWA I UTYLIZACJI ODPADÓW UWAGA: W razie niepoŝądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia Odczynnik Klasyfikacja Środki bezpieczeństwa Chlorek niklu (NiCl 2 6H 2 O) Chlorek kobaltu (CoCl 2 6H 2 O) Acetyloaceton (C 5 H 8 O 2 ) Działa szkodliwie po połknięciu. MoŜe powodować uczulenie w kontakcie ze skórą. Działa szkodliwie po połknięciu. MoŜe powodować uczulenie w następstwie naraŝenia drogą oddechową i w kontakcie ze skórą. Działa szkodliwie po połknięciu. Produkt łatwopalny. Przy kontakcie ze skórą: zmyć duŝą ilością wody, zdjąć zanieczyszczone ubranie. Przy kontakcie z oczami: przepłukać duŝą ilością wody przez co najmniej 10 minut przy szeroko odchylonych powiekach. Przy spoŝyciu: podać duŝą ilość wody, wezwać lekarza. Przy wdychaniu: wyprowadzić na świeŝe powietrze, skontaktować się z lekarzem. Przy kontakcie z oczami: płukać duŝą ilością wody, skontaktować się z okulistą. Przy spoŝyciu: podać duŝą ilość wody, spowodować wymioty. Wezwać lekarza. Przy wdychaniu: świeŝe powietrze, wezwać lekarza. Przy kontakcie z oczami: płukać duŝą ilością wody, skontaktować się z okulistą. Przy spoŝyciu: ostroŝnie, gdy wystąpią wymioty, podać olej parafinowy (3mg/kg), siarczan sodu(1 łyŝeczka na 0,25 l wody). Nie podawać mleka, oleju rycynowego. Wezwać lekarza. Przy wdychaniu: świeŝe powietrze, utrzymywać droŝne drogi oddechowe. Postępowanie z odpadami odpady nieorganiczne oznaczonym literą N odpady nieorganiczne oznaczonym literą N odpady nieorganiczne oznaczonym literą O Octan sodu (C 2 H 3 NaO 2 ) Metanol (CH 3 OH) Nie jest przedmiotem klasyfikacji jako substancja chemiczna niebezpieczna. Produkt wysoce łatwopalny. Działa toksycznie przez drogi oddechowe, w kontakcie ze skórą i po połknięciu. Działa toksycznie przez drogi oddechowe, w kontakcie ze skórą i po połknięciu; zagraŝa powstaniem bardzo powaŝnych ieodwracalnych zmian w stanie zdrowia. Przy kontakcie z oczami: płukać duŝą ilością wody przy szeroko otwartej powiece. Przy spoŝyciu: jeśli poszkodowany poczuje się niezdrowo, wezwać lekarza. Przy wdychaniu: świeŝe powietrze. Przy kontakcie z oczami: płukać duŝą ilością wody przy szeroko otwartej powiece, skontaktować się z okulistą. Przy spoŝyciu: zapewnić dostęp świeŝego powietrza, wywołać wymioty. Podać poszkodowanemu do wypicia szklankę 40% alkoholu etylowego. Jeśli poszkodowany traci oddech zastosować sztuczne oddychanie. Wezwać lekarza. Przy wdychaniu: świeŝe powietrze, jeśli konieczne zastosować sztuczne oddychanie. moŝna wprowadzić do systemu kanalizacyjnego odpady organiczne oznaczonym literą O

7 SYNTEZA KATALIZATORA METALOORGANICZNEGO 7 V. PYTANIA KONTROLNE 1. Co to są związki metaloorganiczne? 2. Co to są centra aktywne katalizatora i jakie są jego rodzaje? 3. Metody charakterystyki katalizatorów? 4. Klasyfikacja katalizatorów? VI. LITERATURA 1. B. Grzybowska-Świerkosz, Elementy katalizy heterogenicznej, PWN W-wa R. Brdička, Podstawy chemii fizycznej, PWN W-wa, 1970, str R. Charles, M.A. Pawlikowski, Journal of Physical Chemistry, 62, 4, (1958), 440 Data ostatniej modyfikacji: