AscoltaLa capacità delle superfici solide di formare e rompere legami con le molecole, dall'ambiente circostante, è alla base del fenomeno della catalisi eterogenea
La catalisi eterogenea è oggi uno dei processi industriali più importanti nella fabbricazione di sostanze chimiche. Si basa su reazioni superficiali, che richiedono l'adsorbimento di almeno uno dei reagenti sulla superficie del catalizzatore.
I catalizzatori sono elementi o composti che accelerano la velocità di una reazione abbassandone l'energia di attivazione. I catalizzatori sono spesso specifici per una particolare reazione, specificità che è tipica degli enzimi che sono dei catalizzatori biologici.
La ricerca si rivolge alle caratteristiche dei catalizzatori in relazione alle loro funzioni nel corso delle reazioni chimiche. Quando si riesce a trovare il catalizzatore adatto si possono spesso variare le condizioni di temperatura e/o di pressione alle quali veniva condotta la reazione in assenza di catalizzatore. Se il catalizzatore si trova nella stessa fase dei reagenti si ha una catalisi omogenea, mentre si ha una catalisi eterogenea se il catalizzatore si trova in una fase diversa rispetto ai reagenti.
Esempi
Gli esempi più comuni di catalisi eterogenea, a livello industriale, riguarda le reazioni dei gas per le quali sono utilizzati, quali catalizzatori dei solidi come metalli, ossidi metallici e zeoliti. Esempi di processi industriali di catalisi eterogenea sono riportati in tabella:
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Processo |
Catalizzatore |
Reazione |
| N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g) | ||
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Produzione di gas di sintesi |
CH4(g) +H2O(g)⇄CO(g)+ 3 H2(g) | |
| CH3(CH2)4 CH3→cicloesano + H2 | ||
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Platino e rodio |
4 NH3(g) +5 O2(g) →4 NO(g)+ 6 H2O(g) | |
| 2 SO2(g) + O2(g) → 2 SO3(g) |
Fisisorbimento e chemisorbimento
Le molecole gassose interagiscono con gli atomi o con gli ioni sulla superficie del solido: il primo processo abitualmente attiene la formazione di legami intermolecolari molto deboli, noto come fisisorbimento seguito poi dal chemisorbimento.
Il fisisorbimento rappresenta una tipologia di debole associazione tra adsorbente ed adsorbato. Non si instaurano, infatti, legami chimici e la coesione è dovuta esclusivamente a interazioni regolare dalle forze di Van der Waals. Il chemisorbimento comporta a tutti gli effetti un vero e proprio scambio di carica tra molecola adsorbita e superficie che stabilisce un vero e proprio legame chimico.
Un esempio di catalisi eterogenea è costituito dall'ossidazione di monossido di carbonio a biossido di carbonio in cui si usa il palladio quale catalizzatore. Le automobili sono provviste di marmitte catalitiche costituite da un involucro contenente due metalli ovvero il palladio e il rodio dispersi finemente su un supporto ceramico. I gas della combustione contenenti monossido di carbonio e idrocarburi incombusti reagiscono con un eccesso di ossigeno per dare biossido di carbonio e acqua e tale reazione è catalizzata dal palladio:
2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g)
CxHy(g) + (x+ y/4) O2(g) → x CO2(g) + y/2 H2O(g)
I gas di combustione contengono anche ossido di azoto (II) che viene trasformato in azoto molecolare nella reazione catalizzata dal rodio:
2 CO(g) + 2 NO(g) → 2 CO2(g) + N2(g)
Meccanismo
Il meccanismo per l'ossidazione del monossido di carbonio a biossido di carbonio prevede il chemisorbimento sia delle molecole di monossido di carbonio che di ossigeno sulla superficie dei metalli. Le molecole di ossigeno di dissociano in due atomi di ossigeno atomico ciascuno dei quali si può combinare con la molecola di monossido di carbonio chemisorbita per dare biossido di carbonio che viene rilasciato dalla superficie del catalizzatore.
Ogni fase presenta un'energia di attivazione minore rispetto alla reazione che avviene in fase omogenea tra monossido di carbonio e ossigeno.
Stante l'alto costo del platino, palladio e rodio la ricerca si sta orientando nell'ottenimento di piccolissime particelle sfruttando le nanotecnologie.
Meccanismo
Lo studio dei meccanismi di catalisi di questa reazione e della sintesi dell'ammoniaca sono stati sviluppati da Gerhard Ertl che ha per questo ottenuto il Premio Nobel per la Chimica nel 2007. In relazione alla sintesi dell'ammoniaca Ertl ha dimostrato come il ferro, usato come catalizzatore, catalizzi la dissociazione delle molecole di azoto e di idrogeno per dare ammoniaca:
H2(g) → 2 H (ads)
N2(g) → N2(ads)
N2(ads) → 2 N(ads)
N(ads) + H(ads) → NH(ads)
NH(ads) + H(ads) → NH2 (ads)
NH2 (ads) + H(ads) → NH3 (ads)
NH3 (ads) → NH3(g)
La figura mostra come le energie di attivazione siano molto più basse rispetto a quella stimata per la sintesi dell'ammoniaca in assenza di catalizzatore
I requisiti che deve avere un catalizzatore, oltre a quello di abbassare l'energia di attivazione della reazione, devono rispondere a criteri di economicità. Il catalizzatore deve essere in grado di far avvenire la reazione a condizioni di temperatura e pressione più basse possibili e deve durare a lungo.
