A questo punto, probabilmente avrai sentito parlare molto di catalizzatori. Forse sai che i catalizzatori aumentano la velocità di una reazione, ma rimangono chimicamente invariati quando la reazione termina. Forse ricorderai anche che i catalizzatori influenzano l'energia di attivazione di una reazione. Forse hai imparato a mostrare l'azione catalitica con le distribuzioni di energia di Maxwell-Boltzmann o i profili energetici.
I catalizzatori sono straordinari, ma come funzionano esattamente? Utilizziamo i Metalli di Transizione per spiegarlo.
- In questo articolo scoprirai come i metalli di transizione agiscono come catalizzatori.
- Scoprirai poi come funzionano i catalizzatori eterogenei e omogenei.
- Si parlerà poi dell'uso dei catalizzatori nell'industria, in particolare nei processi di Haber-Bosch e a Contatto.
- Infine, scoprirai l'autocatalisi.
Catalizzatori
Quando i catalizzatori partecipano a un processo chimico, la reazione produce la stessa quantità di catalizzatore che è stata aggiunta all'inizio della reazione. I catalizzatori sono essenziali nell'industria. Contribuiscono ad accelerare la velocità della reazione abbssando l'energia di attivazione.
Per saperne di più, consulta Fattori che influenzano la velocità di reazione.
Un catalizzatore è una sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica senza modificarne la composizione chimica o la quantità.
I metalli di transizione sono ottimi catalizzatori grazie ai loro stati di ossidazione variabili. In alcuni casi, adsorbono le sostanze sulla loro superficie e le attivano.
Ora sai cosa fanno i catalizzatori. Ma come funzionano? I catalizzatori di metalli di transizione possono essere eterogenei o omogenei. Continua a leggere per scoprire cosa significa!
Catalizzatore eterogeneo
Un catalizzatore eterogeneo si trova in una fase diversa dai reagenti e la reazione avviene nei siti attivi sulla superficie. In generale, la maggior parte dei catalizzatori eterogenei si trova in fase solida e non viene consumata durante la reazione. Nella catalisi eterogenea, almeno uno dei reagenti viene adsorbito nei siti attivi sulla superficie del catalizzatore.
Forse hai sentito parlare delle marmitte catalitiche delle automobili. Sono un esempio di catalizzatori eterogenei. In una marmitta catalitica, il catalizzatore è solido mentre il reagente è gassoso.
L'adsorbimento avviene quando i reagenti si attaccano alla superficie del catalizzatore in modo che la reazione possa avvenire. La posizione sulla superficie del catalizzatore in cui i reagenti si attaccano è chiamata sito attivo.
I metalli di transizione sono catalizzatori solidi molto diffusi. I processi Haber-Bosch e a Contatto utilizzano catalizzatori di metalli di transizione per aumentare la velocità di reazione. Come fanno? Scoprilo qui di seguito.
Processo Haber-Bosch
Le fabbriche di tutto il mondo producono ammoniaca attraverso il processo Haber-Bosch. La maggior parte di questa ammoniaca viene utilizzata per i fertilizzanti che gli agricoltori usano per le coltivazioni. Questo processo produce ammoniaca attraverso un'azione catalitica eterogenea.
Il processo di Haber-Bosch cattura idrogeno e azoto dall'aria in un reattore tra 400-450ºC. Il processo avviene a una pressione di 200 atm con pellet di ferro come catalizzatore.
- La superficie del ferro attira le molecole di idrogeno e azoto gassoso che vengono adsorbite sulla superficie.
- La reazione avviene mentre le molecole di idrogeno e azoto si trovano sulla superficie del ferro.
- Quando si forma ammoniaca, questa si desorbe dalla superficie.
Osserva l'equazione chimica del processo Haber-Bosch qui sotto.
Figura 1. Processo di Haber-Bosch.
Si noterà che si tratta di un processo reversibile. Lo scopo del ferro nel processo di Haber è quello di accelerare la reazione; non influisce sull'equilibrio. Il processo di Haber richiederebbe troppo tempo per produrre ammoniacain assenza del catalizzatore di ferro.
Lo scienziato tedesco Fritz Haber inventò questo processo nel 1908, rivoluzionando l'agricoltura. Tuttavia, le piante non assimilano la metà dell'azoto contenuto nei fertilizzanti. Di conseguenza, oggi abbiamo alte concentrazioni di ammoniaca nelle nostre acque e nell'atmosfera terrestre. Oggi i chimici sono alla ricerca di un altro processo che potrebbe essere utilizzato per produrre colture abbondanti senza mettere in pericolo il nostro pianeta.
- La Pressione utilizzata è descritta nel Principio di Le Chatelier.
- Continua a leggere per conoscere l'adsorbimento e il desorbimento.
Processo a contatto
Che cosa hanno in comune i coloranti, i detergenti, le vernici, le materie plastiche, i fertilizzanti e i tessuti? L'acido solforico! A livello globale, ogni anno produciamo 231 milioni di tonnellate di acido solforico. La maggior parte dell'acido solforico prodotto industrialmente viene trasformato in fertilizzante, ma viene utilizzato anche per produrre carta, pigmenti e fibre. Come si produce l'acido solforico a livello industriale? Utilizziamo il processo a contatto, un altro esempio di catalisi eterogenea.
Il processo a contatto avviene in tre fasi. Prenderemo in considerazione la fase in cui un catalizzatore solido - il pentossido di vanadio (indicato anche come ossido di vanadio (V)) - viene utilizzato per accelerare la velocità di reazione. In questa fase, il biossido di zolfo reagisce con l'ossigeno per produrre acido solforico. Osservate l'equazione della reazione qui sotto.
2SO2 + O2 ⇌ 2SO3
Noterai che il processo a contatto è una reazione reversibile, come il processo di Haber. Il pentossido di vanadio agisce per accelerare la reazione. Altrimenti, il processo sarebbe troppo lento!
L'anidride solforosa e l'ossigeno entrano nel reattore come gas. Nel reattore, passano su un catalizzatore solido di pentossido di vanadio. Per spiegare il funzionamento dei catalizzatori eterogenei utilizziamo un meccanismo chiamato teoria dell'adsorbimento superficiale.
- In primo luogo, l'adsorbimento avviene quando uno dei reagenti si attacca alla superficie del catalizzatore.
- La reazione avviene mentre i reagenti si trovano sulla superficie del catalizzatore.
- Successivamente, avviene il desorbimento quando il prodotto della reazione si stacca dalla superficie del catalizzatore
Esaminiamo ora le fasi di reazione del processo di contatto. Qui si può vedere in pratica la teoria dell'adsorbimento superficiale.
- Fase 1: l'anidride solforosa si adsorbe sull'ossido di vanadio (V). Si verifica una reazione di ossidoriduzione quando il vanadio si riduce da +5 a +4. Il triossido di zolfo si desorbe.
- Fase 2: un'altra reazione di ossidoriduzione si verifica quando l'ossigeno reagisce sulla superficie del catalizzatore. L'ossido di vanadio(IV) viene ossidato di nuovo a +5. Il catalizzatore originale, V2O5, viene rigenerato.
Figura 2. Processo a contatto.
La teoria dell'adsorbimento delle superfici ci ha aiutato a progettare una soluzione per uno dei maggiori problemi del XXI secolo, l'inquinamento da gas di scarico dei veicoli. Scopri di più nell'approfondimento qui sotto!
Convertitore catalitico
Le automobili producono sostanze inquinanti che influiscono negativamente sull'ambiente e sulla nostra salute. In alcune città, i livelli di inquinamento sono aumentati esponenzialmente. Uno di questi inquinanti è il monossido di carbonio, un gas tossico che impedisce all'ossigeno di raggiungere gli organi vitali. Un altro importante gas di scarico nocivo è il monossido di azoto. Il monossido di azoto si ossida facilmente nell'aria a biossido di azoto, un irritante per le vie respiratorie che contribuisce anche alle piogge acide nelle città.
Per far fronte a questo problema, da decenni le case automobilistiche hanno dotato gli scarichi delle auto di convertitori catalitici per ridurre le emissioni globali. Essenzialmente, l'interno di una marmitta catalitica è costituito da un nido d'ape in ceramica rivestito da un catalizzatore metallico solido. Di solito, il rivestimento è una miscela di metalli di transizione come il platino e il rodio. A volte si usa anche il palladio.
Questi metalli di transizione agiscono come catalizzatori grazie alla teoria dell'adsorbimento superficiale. I gas nocivi si adsorbono sui siti attivi, dove reagiscono per produrre gas innocui come anidride carbonica e azoto. I prodotti si desorbono e vengono rilasciati attraverso lo scarico dell'auto. L'interno a nido d'ape aumenta l'efficienza del convertitore catalitico poiché fornisce una maggiore superficie per il catalizzatore solido. Ciò significa che ci sono più siti attivi dove può avvenire l'adsorbimento. La struttura a nido d'ape contribuisce inoltre a ridurre al minimo il costo dei convertitori catalitici, poiché il platino e il rodio sono metalli costosi.
Figura 3. Convertitore catalitico. Fonte: opentextbc
"Avvelenamento" catalitico
Sebbene abbiano contribuito a ridurre l'inquinamento nelle città, le marmitte catalitiche hanno un lato negativo: i catalizzatori eterogenei possono essere "avvelenati" da impurità che bloccano i siti attivi. Il platino e il rodio sono "avvelenati" dai composti di piombo presenti nella benzina contenente piombo. Pertanto, le auto con questo tipo di catalizzatore non dovrebbero utilizzare benzina contenente piombo. L'avvelenamento catalitico riduce l'efficienza e aumenta il costo del processo.
Ora sai come funzionano i catalizzatori eterogenei. Parliamo di un altro tipo di catalizzatore: i catalizzatori omogenei.
Catalizzatore omogeneo
Un catalizzatore omogeneo è un catalizzatore che si trova nella stessa fase dei reagenti.
La catalisi omogenea spesso prevede un catalizzatore acquoso e reagenti acquosi, ma non è sempre così. A volte, il catalizzatore e i reagenti si trovano in fase gassosa.
Nella catalisi omogenea, la reazione procede attraverso una specie intermedia. Che cosa significa? Si può vedere come funziona nella reazione tra lo ione persolfato (perossidosolfato) e lo iodio.
Come gli ioni Fe2+ catalizzano la reazione tra ioni ioduro e persolfato
Il persolfato (o perossidosolfato, nome IUPAC) agisce come agente ossidante quando reagisce con lo ioduro. L'equazione della reazione è riportata di seguito:
S2O82- + 2I- ➔ 2SO42- + I2
A temperatura ambiente, il processo è lento perché gli ioni reagenti, carichi negativamente, si respingono a vicenda. Tuttavia, in presenza di ioni Fe2+ , la reazione è molto più veloce. Gli ioni Fe2+ e i reagenti sono in fase acquosa, quindi questa reazione è un ottimo esempio di catalizzatore omogeneo. Esaminiamo le fasi seguenti:
1. Poiché gli ioni Fe2+ e gli ioni S2O82- hanno cariche opposte, si attraggono e reagiscono come segue:
S2O82- + 2Fe2+ ➔ 2SO42- + 2Fe3+
2. Gli ioni Fe3+ prodotti nella prima reazione reagiscono con gli ioni I- come segue:
2Fe3+ + 2I- ➔ 2Fe2+ + I2
Come si può notare, il catalizzatore originale di ioni ferro(II) viene rigenerato, quindi le fasi si ripetono. Gli ioni ferro(III) che si formano nella prima reazione agiscono come specie intermedie.
Nel processo tra ioni ioduro e ioni persolfato, possiamo anche utilizzare ioni ferro(III) come catalizzatore originale. In questo caso, Fe2+ è la specie intermedia. La reazione avverrebbe in ordine inverso:
- 2Fe3+ + 2I- ➔ 2Fe2+ + I2
- S2O82- + 2Fe2+ ➔ 2SO42- + 2Fe3+
Biossido di azoto (NO2) come catalizzatore.
Un esempio dell'uso di un catalizzatore omogeneo si può vedere con il biossido di azoto. Possiamo esplorare questo aspetto attraverso la formazione di piogge acide che contengono H2SO4 (acido solforico).
Quando il biossido di zolfo (SO2), un inquinante dell'atmosfera, viene ossidato, si trasforma in SO3. Questa può reagire con l'acqua piovana per produrre H2SO4.
Questo può essere illustrato come segue:
SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(aq)
Che ruolo ha il biossido di azoto in questa reazione? Non solo provoca le piogge acide, ma agisce anche come catalizzatore. Ciò è dovuto alla catalisi del biossido di azoto che trasforma SO2 in SO3.
Questo può essere illustrato come segue:
SO2(g) + NO2(g) → SO3(g) + NO(g)
L'NO in questa reazione può essere rigenerato, come la maggior parte dei catalizzatori, in NO2 dove può continuare a catalizzare la reazione di SO2 in SO3.
Questo può essere illustrato come segue:
NO(g) + 1/2 O2(g) → NO2(g)
Prima di concludere questa discussione sui catalizzatori, analizziamo un ultimo tipo di catalisi, ovvero l'autocatalisi.
Autocatalisi
Nella seguente reazione, gli ioni manganato(VII) negativi reagiscono con ioni etandioato negativi.
2MnO4- (aq) + 5C2O42- (aq) + 16H+ (aq) ➔ 2Mn2+ (aq) + 10CO2 (g) + 8H2O (l)
Questa reazione è affascinante, poiché la velocità di reazione aumenta con la produzione di ioni Mn2+. Si parla di autocatalisi quando un processo è catalizzato da uno dei prodotti della reazione. In questo caso, Mn2+(aq) agisce come autocatalizzatore. Il processo inizia lentamente, ma man mano che si formano altri ioni manganese (II) diventa sempre più veloce. Alla fine, la reazione rallenta quando il catalizzatore si esaurisce.
Analogamente alla reazione precedente, in cui il ferro funge da catalizzatore, il Mn(II) viene rigenerato in un ciclo redox.
- Gli ioni Mn2+ reagiscono con gli ioni MnO4- per produrre ioni Mn3+.
- Gli ioni Mn3+ reagiscono con gli ioni ossalato per rigenerare gli ioni Mn2+.
Possiamo rappresentare il ciclo redox attraverso le seguenti equazioni:
4Mn2+(aq) + MnO4-(aq) + 8H+(aq) → 5Mn3+(aq) + 4H2O (aq)
2Mn3+(aq) + C2O42-(aq) → 2CO2(g) + 2Mn2+(aq)
Ed ecco il meraviglioso mondo dei catalizzatori dei metalli di transizione!
Catalizzatori - Punti Chiave
- Un catalizzatore è una sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica senza essere modificata nella composizione chimica o nella quantità.
- Un catalizzatore eterogeneo si trova in una fase diversa da quella dei reagenti. La reazione avviene nei siti attivi sulla superficie del catalizzatore.
- Il processo Haber-Bosch produce ammoniaca attraverso un catalizzatore eterogeneo, il ferro.
- I catalizzatori eterogenei funzionano attraverso la teoria dell'adsorbimento superficiale. In primo luogo, i reagenti vengono adsorbiti sulla superficie del catalizzatore. Poi avviene la reazione. Infine, i prodotti vengono desorbiti dalla superficie del catalizzatore.
- Il processo a contatto produce acido solforico attraverso un catalizzatore eterogeneo, il pentossido di vanadio.
- Le marmitte catalitiche riducono le emissioni dei veicoli grazie alla teoria dell'adsorbimento superficiale.
- Una marmitta catalitica è un nido d'ape in ceramica rivestito da un catalizzatore metallico composto da platino e rodio o palladio.
- L'avvelenamento catalitico riduce l'efficienza e aumenta il costo delle marmitte catalitiche.
- Un catalizzatore omogeneo si trova nella stessa fase dei reagenti.
- Nella catalisi omogenea, la reazione procede attraverso una specie intermedia.
- L'autocatalisi si verifica quando un processo è catalizzato da uno dei prodotti di reazione.
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