I catalizzatori sono specie che accelerano la velocità di una reazione termodinamicamente favorita portando a una diminuzione dell’energia di attivazione.
I catalizzatori pur partecipando alla reazione non compaiono né tra i reagenti né tra i prodotti e sono ritrovati inalterato alla fine di essa.
Affinché avvenga una reazione prima che si formano i prodotti si devono rompere i legami tra i reagenti e ciò richiede energia detta energia di attivazione.
Alcune reazioni presentano una energia di attivazione così elevata che esse avvengono in tempi molto lunghi.
I catalizzatori costituiscono un mezzo per rompere i legami fornendo un percorso alternativo di reazione. Essi pertanto formano legami temporanei con il reagente e quindi devono essere reattivi ma non devono essere tali da formare legami permanenti con i reagenti.
Meccanismo di azione di V2O5
Il meccanismo con cui agiscono i catalizzatori in una reazione non è sempre lo stesso. Ad esempio la reazione tra biossido di zolfo e ossigeno avviene in presenza del pentossido di vanadio (V) che agisce da catalizzatore.
Il vanadio che presenta diversi numeri di ossidazione tra cui +4 si trasforma in tetrossido di divanadio che, per successiva ossidazione, ritorna allo stato di partenza
SO2 + V2O5 → SO3 + V2O4
V2O4 + ½ O2 → V2O5
Pertanto la reazione complessiva è
SO2 + ½ O2 → SO3
in cui il catalizzatore non compare né tra i reagenti né tra i prodotti.
Esempi
Un altro esempio è costituito dalla reazione tra monossido di carbonio e ossigeno in cui si ottiene biossido di carbonio in presenza del palladio in qualità di catalizzatore.
Secondo il meccanismo della reazione si ha l’adsorbimento sia del monossido di carbonio che dell’ossigeno sulla superficie del catalizzatore.
Le molecole di ossigeno si dissociano in due atomi di ossigeno che si combinano con il monossido di carbonio che viene deadsorbito dalla superficie del catalizzatore.
Un altro esempio è costituito dalla reazione di idrogenazione di un alchene in cui si ottiene l’alcano in presenza di Nichel Raney in qualità di catalizzatore.
L’idrogeno è adsorbito sulla superficie del catalizzatore con conseguente rottura del legame idrogeno-idrogeno. L’alchene è adsorbito sulla superficie del catalizzatore con rottura del doppio legame presente e formazione di legami nichel-carbonio. Gli atomi diffondono sulla superficie del catalizzatore con formazione di legami carbonio-idrogeno e l’alcano formatosi viene deadsorbito dal catalizzatore.
I catalizzatori sono specifici per ogni reazione e agiscono diversamente secondo un determinato meccanismo; possono agire da catalizzatori, oltre che i metalli di transizione e alcuni del loro composti e tipicamente gli ossidi, sia lo ione H+ come avviene, ad esempio nell’esterificazione e nella isomerizzazione delle olefine, che lo ione OH– come avviene, ad esempio nell’idratazione delle aldeidi e nella reazione tra un chetone e un’aldeide aromatica.