Catalizzatori e Reazioni Catalitiche: Un’Introduzione
Le reazioni catalitiche, sebbene spontanee, richiedono un’elevata energia di attivazione e quindi possono avvenire in tempi più o meno lunghi. Nel 1835, il chimico svedese Jöns Jacob Berzelius, durante le sue ricerche, scoprì che alcune sostanze avevano la capacità di accelerare il decorso di una reazione.
Indice Articolo
- Il Ruolo dei Catalizzatori
- Tipologie di Catalisi
- Esempi di Catalisi
- Decomposizione del Perossido di Idrogeno
- La Chimica del Biossido di Manganese e Altri Ossidi
- Idrogenazione e la sua Importanza Industriale
- Sintesi dell’ammoniaca e il Ruolo dei Catalizzatori
- Sintesi dell’Acido Solforico e la sua Importanza Industriale
- Sintesi del Polipropilene Isotattico
Queste sostanze sembravano non partecipare attivamente alla reazione e rimanevano invariate. Tuttavia, accelerare una reazione industriale significava ottenere un guadagno economico notevole.
Il Ruolo dei Catalizzatori
La ricerca sui [catalizzatori](http://chimicamo.org//chimica-generale/catalizzatori/) portò alla comprensione che essi agiscono sulla cinetica di una reazione, abbassando l’energia di attivazione necessaria per innescarla. Questo concetto è illustrato dall’immagine dell’energia di attivazione.
Molti [metalli di transizione](http://chimicamo.org//chimica-generale/metalli-di-transizione/) o alcuni dei loro composti possono essere utilizzati come catalizzatori grazie alla varietà dei loro [numeri di ossidazione](http://chimicamo.org//chimica-generale/numeri-di-ossidazione-dei-metalli-di-transizione-2/), dovuta alla configurazione degli ioni metallici di transizione.
Tipologie di Catalisi
La catalisi può essere omogenea, se la reazione avviene interamente in una fase che include anche il catalizzatore, oppure eterogenea, se avviene per interazione di una molecola di reagente con centri attivi su una superficie solida.
Esempi di Catalisi
Fin dai primi anni dell’Ottocento, sono stati descritti processi catalitici significativi. Ad esempio, nel 1831 la sintesi dell’acido solforico, noto all’epoca come olio di vetriolo, a partire dall’acido solforoso e ossigeno utilizzando platino finemente suddiviso.
Il platino è stato impiegato anche nella reazione di ossidazione dell’ammoniaca nel 1838.
Decomposizione del Perossido di Idrogeno
Un esempio interessante di reazione catalitica è la decomposizione del perossido di idrogeno, che avviene lentamente in assenza di catalizzatori:
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Tuttavia, in presenza di determinati catalizzatori, come nel caso della catalisi eterogenea, questa decomposizione avviene rapidamente.
In conclusione, l’utilizzo di catalizzatori in diverse reazioni ha rivoluzionato diversi processi industriali, consentendo un notevole aumento dell’efficienza e dell’economicità dei processi chimici.
La Chimica del Biossido di Manganese e Altri Ossidi
Il biossido di manganese, noto anche come MnO2, è stato oggetto di studi sulla cinetica delle reazioni insieme ad altri ossidi come l’ossido di ferro (III) Fe2O3, l’ossido di rame (II) CuO, il biossido di afnio HfO2, l’ossido di gadolinio (III) Gd2O3 e il biossido di cerio CeO2.
Idrogenazione e la sua Importanza Industriale
Un importante processo industriale ampiamente utilizzato nel settore alimentare è l’idrogenazione, che consiste nella saturazione parziale di grassi polinsaturi per convertirli in grassi solidi come quelli presenti nella margarina.
La reazione di idrogenazione segue il seguente schema: CnH2n + H2 → CnH2n+2. Queste reazioni avvengono in fase eterogenea con l’ausilio di catalizzatori come il rutenio, il palladio, il cobalto, il rodio, il platino o il Nichel Raney.
Sintesi dell’ammoniaca e il Ruolo dei Catalizzatori
Una delle reazioni catalitiche più significative che ha rivoluzionato il settore dei fertilizzanti e degli esplosivi è la sintesi dell’ammoniaca. Questo processo, sviluppato da Fritz Haber, impiega azoto e idrogeno in presenza di un catalizzatore eterogeneo a base di ferro.
La reazione chimica della sintesi dell’ammoniaca è la seguente: N2 + 3 H2 → 2 NH3. Inizialmente si utilizzava il tetrossido di osmio come catalizzatore, ma a causa dei costi elevati e della scarsa disponibilità, si preferì utilizzare il ferro attivato con ossidi di metalli alcalini.
Sintesi dell’Acido Solforico e la sua Importanza Industriale
Altro importante processo chimico è la sintesi dell’acido solforico, la cui produzione è indice dell’attività chimica di una nazione. Questa reazione catalitica riveste un ruolo fondamentale nei processi industriali e chimici.
Sintesi del Polipropilene Isotattico
Una delle reazioni catalitiche di maggiore rilevanza industriale è la sintesi del polipropilene isotattico. Questa reazione è stata così significativa che uno scienziato italiano, Giulio Natta, ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica. Insieme a Karl Ziegler, Natta ha scoperto i catalizzatori stereospecifici che vengono ancora oggi chiamati catalizzatori Ziegler Natta in loro onore.
Il monomero utilizzato per questa sintesi è il propilene, e la reazione di polimerizzazione avviene attraverso un processo che orienta tutti i gruppi -CH₃ nello stesso lato della catena polimerica in modo regolare, dando origine al polipropilene isotattico.
Il catalizzatore coinvolto in questo processo è composto da un catalizzatore principale e da un co-catalizzatore, che nel caso specifico può essere il tricloruro di titanio TiCl₃ o il tetracloruro di titanio TiCl₄ affiancati da Al(C₂H₅)₂Cl o Al(C₂H₅)₃. Un esempio di sistema catalizzatore utilizzato è TiCl₃/Al(C₂H₅)₂Cl.
Questo processo dimostra come la ricerca possa portare a risultati inaspettati, consentendo lo svolgimento di reazioni che, sebbene termodinamicamente favoriti, richiedono un catalizzatore specifico per avvenire in maniera efficiente e controllata.
