La catalisi eterogenea: un’analisi dei suoi esempi più rilevanti
La catalisi eterogenea, un importante fenomeno industriale, si basa sulla capacità delle superfici solide di formare e rompere legami con le molecole. Questo processo è cruciale nella produzione di sostanze chimiche su scala industriale. Coinvolge reazioni superficiali che richiedono l’adsorbimento di almeno uno dei reagenti sulla superficie del catalizzatore. I catalizzatori, elementi o composti che riducono l’energia di attivazione, sono essenziali per accelerare la velocità di una reazione. Spesso, questi catalizzatori sono specifici per una particolare reazione, caratteristica tipica anche degli enzimi, che agiscono come catalizzatori biologici.
La ricerca sulle caratteristiche dei catalizzatori in relazione alle loro funzioni durante le reazioni chimiche è in corso. Trovare il catalizzatore adatto offre l’opportunità di variare le condizioni di temperatura e pressione per la reazione in assenza di catalizzatore. La catalisi è definita come omogenea quando il catalizzatore si trova nella stessa fase dei reagenti, mentre è considerata eterogenea quando si trova in una fase diversa rispetto ai reagenti.
Esempi rilevanti della catalisi eterogenea in ambito industriale riguardano le reazioni dei gas, per le quali vengono impiegati solidi come metalli, ossidi metallici e zeoliti come catalizzatori. Alcuni processi industriali di catalisi eterogenea includono la sintesi dell’ammoniaca, la produzione di gas di sintesi mediante reforming del vapore, il reforming della nafta, la produzione di acido nitrico e la produzione di acido solforico.
Il fisisorbimento e il chemisorbimento sono processi fondamentali associati alla catalisi eterogenea. Le molecole gassose interagiscono con gli atomi o gli ioni sulla superficie del solido. Il fisisorbimento coinvolge l’associazione deboli tra adsorbente ed adsorbato, senza instaurare legami chimici, mentre il chemisorbimento comporta uno scambio di carica tra molecole adsorbite e la superficie, stabilendo veri e propri legami chimici.
Un esempio concreto di catalisi eterogenea è rappresentato dall’ossidazione del monossido di carbonio a biossido di carbonio, utilizzando il palladio come catalizzatore. Le automobili sono dotate di marmitte catalitiche contenenti palladio e rodio dispersi su un supporto ceramico. Questi catalizzatori favoriscono la reazione dei gas di combustione contenenti monossido di carbonio e idrocarburi incombusti con un eccesso di ossigeno per produrre biossido di carbonio e acqua.
Il meccanismo di catalisi eterogenea in questo contesto coinvolge anche la trasformazione dell’ossido di azoto (II) in azoto molecolare, catalizzata dal rodio. La catalisi eterogenea emerge così come un processo cruciale in numerosi contesti industriali, rivelandosi fondamentale per agevolare reazioni chimiche di rilievo.
In conclusione, la catalisi eterogenea ha un impatto significativo su diverse industrie e processi produttivi, svolgendo un ruolo cruciale nell’accelerare reazioni chimiche fondamentali.La chimica della catalisi: come avviene la reazione di biossido di carbonio
Il processo di conversione di monossido di carbonio in biossido di carbonio coinvolge il chemisorbimento di molecole di monossido di carbonio e di ossigeno sulla superficie dei metalli. Le molecole di ossigeno si dissociano in due atomi di ossigeno atomico, che reagiscono con la molecola di monossido di carbonio chemisorbita, producendo biossido di carbonio che viene rilasciato dalla superficie del catalizzatore.
Energia di attivazione e nanotecnologie nella catalisi
Ogni fase del processo presenta un’energia di attivazione minore rispetto alla reazione che avviene in fase omogenea tra monossido di carbonio e ossigeno. Date le alte spese associate al platino, palladio e rodio, la ricerca si concentra su ottenere particelle estremamente piccole, sfruttando le nanotecnologie.
Meccanismo di catalisi e contributo di Gerhard Ertl
La comprensione dei meccanismi di catalisi e della sintesi dell’ammoniaca è stata avanzata da Gerhard Ertl, vincitore del Premio Nobel per la Chimica nel 2007. Egli ha dimostrato come il ferro, usato come catalizzatore, catalizzi la dissociazione delle molecole di azoto e di idrogeno per produrre ammoniaca. Le energie di attivazione in questa reazione sono significativamente inferiori rispetto a una sintesi dell’ammoniaca senza catalizzatore.
I requisiti dell’efficace catalizzatore
Un catalizzatore efficace deve abbassare l’energia di attivazione della reazione, ma anche rispondere a criteri di economicità. Deve permettere la reazione a temperature e pressioni più basse possibili e garantirne la prolungata durata nel tempo.