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Catalizzatori: classificazione

  |   Chimica, Chimica Generale

I catalizzatori possono essere classificati secondo determinati criteri che tengono conto del loro stato di aggregazione, della loro struttura, della composizione o del loro campo di applicazione.

Il metodo più comune di classificazione  è quello che tiene conto del loro stato di aggregazione in cui essi agiscono.

Catalizzatori omogenei e eterogenei

Secondo tale criterio  sono classificati in:

  • omogenei se si trovano nella stessa fase dei reagenti 
  • eterogenei se non si trovano nella stessa fase in cui sono presenti i reagenti 
  • enzimatici che sono specifici per le reazioni biochimiche.

I catalizzatori enzimatici infatti sono classificati come una classe distinta  e hanno vantaggi quali:

  • attività
  • selettività
  • specificità rispetto ai catalizzatori omogenei ed eterogenei sebbene hanno costi molto elevati

Sono usati principalmente dall’industria farmaceutica e dall’industria alimentare.

I catalizzatori omogenei offrono il vantaggio di avere un migliore contatto con i reagenti. Tuttavia  risulta poi difficile separarli e recuperarli alla fine della reazione. Le molecole costituenti i catalizzatori omogenei sono esposte ai reagenti e, se usati tal quali, mostrano da un lato un’elevata attività catalitica, dall’altro una bassa selettività.

I catalizzatori omogenei che costituiscono il 10-15% dei catalizzatori usati nell’industria. Sono generalmente composti chimici ben definiti o composti di coordinazione, che, insieme con i reagenti, sono dispersi nel mezzo di reazione. Esempi di catalizzatori omogenei includono acidi minerali e composti di metalli di transizione.

I catalizzatori eterogenei son in genere solidi e costituiti da un supporto su cui è posizionato il catalizzatore vero e proprio. Essi sono caratterizzati da una maggiore selettività rispetto a quelli omogenei.

Mentre nei catalizzatori eterogenei esiste un confine tra le due diverse fasi in genere solido-liquido o solido-gas quelli omogenei si trovano nella stessa fase dei reagenti.

I catalizzatori omogenei hanno quindi un elevato grado di dispersione. Infatti  ogni singolo atomo può essere un centro cataliticamente attivo. In quelli eterogenei invece sono attivi solo gli atomi presenti in superficie.

Tabella

Si riportano in tabella le caratteristiche di quelli omogenei ed eterogenei a confronto:

 

Catalizzatori

Omogenei Eterogenei
Centri attivi Tutti gli atomi Solo gli atomi presenti in superficie
Concentrazione Bassa Alta
Selettività Bassa Alta
Problemi di diffusione Assenti Presenti
Condizioni di reazione Blande ( 50-200 °C) Energiche (spesso > 250°C)
Applicabilità Limitata Ampia

 

Da un punto di vista industriale rivestono particolare importanza i quelli  liquidi e solidi.  Occorre sottolineare che circa il 75% di tutte le sostanze chimiche sono prodotte in processi che impiegano catalizzatori come  ad  esempio la produzione di:

  • fibre sintetiche
  • materie plastiche
  • prodotti farmaceutici
  • resine.

Processi catalitici

Tutti i processi catalitici, che possono essere classificati sulla base del meccanismo di reazione, sono classificati come:

–          Reazioni di ossidoriduzione: idrogenazione, deidrogenazione, ossidazione. In tali reazioni sono in genere utilizzati metalli, ossidi metallici e solfuri

–          Reazioni acido-base: idrolisi, isomerizzazione, cracking, alchilazione. In tali reazioni sono in genere utilizzati acidi e basi secondo Brønsted-Lowry, acidi e basi secondo Lewis, ossidi di alluminio, magnesio e alluminosilicati

–          Reazioni con meccanismi concertati: polimerizzazioni, oligomerizzazioni, carbonilazioni, idroformilazione.  In tali reazioni sono in genere utilizzati composti di coordinazione in genere di metalli di transizione.

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