Un catalizzatore è una sostanza che accelera la velocità di una reazione termodinamicamente favorita modificando il suo meccanismo e portando a una diminuzione dell’energia di attivazione.
Pur intervenendo nella reazione esso rimane inalterato alla fine della stessa. Non sempre è noto il meccanismo tramite il quale interviene il catalizzatore. In ogni caso, per una specifica reazione, non vi è un metodo per determinarlo.
Quasi tutte le reazioni biologiche e la gran parte delle sintesi industriali avviene grazie ai catalizzatori senza i quali le reazioni avverrebbero in tempi lunghissimi o non avverrebbero affatto.
Il termine fu coniato nel 1836 dal chimico svedese Berzelius che osservò che talune reazioni avvenivano più velocemente in presenza di un’altra sostanza che rimaneva inalterata. Suggerì che tale sostanza esercitasse quella che egli definì una “forza catalitica”.
Fu solo nel 1895 che il chimico tedesco Ostwald propose la seguente definizione : “un catalizzatore accelera una reazione chimica senza influenzare la posizione dell’equilibrio”.
Secondo le attuali conoscenze si sa che durante un processo catalitico si formano legami chimici tra il catalizzatore e i reagenti e pertanto la catalisi può essere considerata come un processo ciclico in cui i reagenti si legano al catalizzatore con formazione di un complesso catalizzatore-reagenti altamente reattivo e successivamente si ottengono i prodotti di reazione e il catalizzatore è rigenerato nella sua forma iniziale.
Selettività del catalizzatore
Nel caso di un processo industriale il catalizzatore deve avere un’elevata selettività: nel caso in cui siano coinvolte contemporaneamente più reazioni esso deve agire sulle differenze dei tempi di reazione di ciascuna linea di sviluppo della trasformazione complessiva privilegiando un tipo di reazione rispetto a un’altra. Ciò implica che impiegando due catalizzatori diversi è possibile ottenere prodotti diversi a partire dagli stessi reagenti.
La selettività può essere definita :
Sv = (velocità di formazione del prodotto desiderato) / velocità di formazione di tutti i prodotti)
Il valore di Sv dove 0 ≤ Sv ≤ 1 si avvicina all’unità quando la sostanza desiderata viene prodotta in modo selettivo da un catalizzatore.
L’analisi della selettività di un determinato catalizzatore implica naturalmente un’indagine dello schema di reazione che interviene nel processo in esame. Vi sono tre schemi fondamentali:
1) diversi reagenti competono sugli stessi centri catalitici
2) un singolo reagente può portare a due diversi prodotti attraverso due diversi cammini di reazione
3) hanno luogo due reazioni successive
Attività catalitica
Il catalizzatore deve inoltre possedere attività catalitica che è espressa nel Sistema Internazionale in katal ed ha come unità di misura mol· s-1. Il katal misura di quanto la velocità della reazione aumenta rispetto alla velocità della reazione stessa in assenza di catalizzatore. La velocità della reazione è calcolata secondo l’equazione:
v = m / c · t
dove:
- m sono le moli di reagente che si sono trasformate
- c è il volume o la massa del catalizzatore
- t è il tempo espresso in genere in ore.
L’equazione dimensionale della velocità è quindi: [mol · L-1· h-1] se si considera il volume di catalizzatore o [mol · Kg-1· h-1] se si considera la massa.
Secondo la definizione di catalizzatore quest’ultimo non è consumato durante la reazione. In pratica esso va incontro a cambiamenti chimici e la sua attività diminuisce in funzione del tempo ovvero il va incontro a una disattivazione che implica una perdita di attività o di selettività.
Stabilità
Una ulteriore caratteristica è quindi la stabilità che riveste un ruolo notevole per le sintesi industriali in quanto la stabilità:
- chimica
- termica
- meccanica
ne determina la sua vita nei reattori industriali.
Vi sono molti fattori che influenzano la stabilità e la cui disattivazione può essere determinata da più cause anche concomitanti come:
-
- degradazione termica
- invecchiamento
- avvelenamento
- sporcamento
- volatilizzazione
che a loro volta dipendono dalle condizioni di reazione ed in particolare dal grado di purezza dei reagenti.
Quando un catalizzatore è disattivato o deve essere sostituito o, in taluni casi, può essere rigenerato.
Si definisce pertanto il turnover number (TON) il numero di molecole di un determinato reagente che spariscono nell’unità di tempo per centro catalitico quando la reazione è condotta a una determinata temperatura, pressione e in corrispondenza di un determinato grado di conversione. ( se quest’ultimo non è precisato si sottintende che ci si riferisce alla velocità iniziale cioè corrispondente al grado di conversione nullo).