Acidi solidi: esempi, misurazione dell’acidità

Gli acidi solidi sono insolubili nel mezzo di reazione e hanno numerose applicazioni come catalizzatori eterogenei e come elettroliti nelle celle a combustibile.
Possiedono proprietà acide sulla loro superficie e funzionano come catalizzatori proprio come gli acidi liquidi, come l’acido solforico e l’acido cloridrico.

Utilizzando catalizzatori acidi solidi, i processi chimici diventano più produttivi e più rispettosi dell’ambiente. Infatti, gli acidi solidi sono utilizzati in molti processi chimici industriali dal più grande processo chimico di cracking catalitico nella raffinazione del petrolio alla sintesi di vari prodotti della chimica fine.

Mostrano stabilità termica nelle condizioni di reazione rispetto a sinterizzazione, trasformazione di fase, volatilizzazione e non riducibilità in condizioni di reazione

Esempi di acidi solidi

Esempi di acidi solidi sono:

zeoliti ovvero silico-alluminati idrati di metalli alcalini e/o metalli alcalino-terrosi che, strutturalmente appartengono alla classe dei tectosilicati. Un esempio è costituito dalla mordenite (Ca,Na₂, K₂)Al₂Si₁₀O₂₄7H₂O

SAPO silicoalluminofosfati, materiali cristallini microporosi acidi, con pori di dimensione massimo dei 15 Å,

argilla costituita da alluminosilicati idrati appartenenti alla classe dei fillosilicati

pillared Clays prodotti a partire da un minerale argilloso come la smectite

resine a scambio ionico, materiali costituiti da polimeri che si presentano generalmente sotto forma di piccole sfere in grado di scambiare ioni con una soluzione che li attraversa.

eteropoliacidi costituiti da una combinazione particolare di idrogeno e ossigeno con alcuni metalli e non metalli spesso usati come catalizzatori riutilizzabili

Metodi di misurazione dell’acidità 

La forza, il tipo e il numero di siti acidi è di particolare importanza pertanto l’acidità dei solidi acidi è misurata sperimentalmente tramite metodi diversi:

-titolazione con basi organiche

-spettroscopia di desorbimento termico (TDS).  È una tecnica utilizzata per osservare le molecole desorbite da una superficie quando la temperatura della superficie aumenta.

Quando le molecole entrano in contatto con una superficie, si adsorbono su di essa, riducendo al minimo la loro energia formando un legame chimico con la superficie. L’energia di legame varia con la combinazione dell’adsorbato e della superficie. Se la superficie è riscaldata, ad un certo punto, l’energia trasferita alle specie adsorbite ne causerà il desorbimento. La temperatura alla quale ciò accade è nota come temperatura di desorbimento. Così si hanno informazioni sull’energia di desorbimento tramite;

-risonanza magnetica nucleare

-spettroscopia I.R.

Applicazioni degli acidi solidi

Gli acidi solidi trovano impiego in un’ampia gamma di processi chimici grazie alla presenza di siti acidi superficiali ben definiti e alla possibilità di modulare la loro forza acida, la porosità e la selettività. In ambito industriale rivestono un ruolo centrale nella raffinazione del petrolio, dove sono utilizzati come catalizzatori nel cracking catalitico fluido (FCC), nell’isomerizzazione degli idrocarburi e nelle reazioni di alchilazione. In questi processi le zeoliti, in particolare, consentono un’elevata selettività verso i prodotti desiderati e una maggiore stabilità operativa rispetto agli acidi liquidi.

Chimica fine e nella sintesi organica

Nella chimica fine e nella sintesi organica, gli acidi solidi vengono impiegati in reazioni di esterificazione, eterificazione, alchilazione di Friedel–Crafts, acetalizzazione e idratazione di olefine. L’uso di catalizzatori solidi permette una più agevole separazione del catalizzatore dal mezzo di reazione, riducendo la produzione di rifiuti e facilitando il riutilizzo del materiale catalitico.

Chimica verde

Un altro settore di rilievo è quello della chimica verde, dove gli acidi solidi contribuiscono allo sviluppo di processi più sostenibili. La sostituzione degli acidi minerali liquidi con catalizzatori solidi riduce problemi di corrosione, rischi per la sicurezza e impatti ambientali, in linea con i principi della green chemistry. In questo contesto, eteropoliacidi supportati e resine a scambio ionico trovano applicazione in processi a basso impatto ambientale e in reazioni condotte in solventi alternativi o in condizioni solvent-free.

Gli acidi solidi sono inoltre utilizzati nella produzione di biocarburanti e biochimici, ad esempio nella transesterificazione degli oli vegetali per la produzione di biodiesel, nell’idrolisi della biomassa e nella conversione di zuccheri e derivati lignocellulosici. La possibilità di operare in condizioni più blande e con catalizzatori riutilizzabili rappresenta un vantaggio significativo rispetto ai sistemi catalitici omogenei.

Infine, alcuni acidi solidi trovano applicazione anche come elettroliti solidi in dispositivi elettrochimici, come le celle a combustibile a membrana protonica, dove la conduzione protonica e la stabilità termica sono requisiti fondamentali per il funzionamento del sistema.

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