Esempi di reazioni catalitiche

Nel 1835 il chimico svedese Jöns Jacob Berzelius nell’ambito delle sue ricerche notò che alcune sostanze che apparentemente non partecipavano ad una reazione e venivano rinvenute inalterate avevano la capacità di accelerare il decorso di una reazione.

Sebbene non si conoscesse con quale meccanismo avvenisse un processo catalitico si comprese subito che accelerare una reazione industriale significava ottenere un notevole guadagno in termini economici.

Si sviluppò quindi una ricerca sui catalizzatori e si comprese che essi intervenivano sulla cinetica di una reazione abbassando l’energia di attivazione che rappresenta la minima energia per innescare una reazione chimica:

energia di attivazione

Si scoprì che molti metalli di transizione o alcuni loro composti potevano essere utilizzati quali catalizzatori grazie alla molteplicità dei loro numeri di ossidazione dovuta al fatto che essi presentano l’orbitale d parzialmente pieno.

La catalisi può essere omogenea qualora la reazione si svolge interamente in una sola fase a cui appartiene anche il catalizzatore o eterogenea se avviene per interazione di una molecola di reagente con atomi o gruppi atomici, detti centri attivi presenti su una superficie solida.

Sin dal 1831 fu descritta la sintesi dell’acido solforico allora chiamato olio di vetriolo a partire dall’acido solforoso in presenza di ossigeno usando il platino finemente suddiviso.

Il platino fu usato anche nella reazione di ossidazione dell’ammoniaca nel 1838.

Da allora sono stati studiate un numero enorme di reazioni e del catalizzatore che era in grado di accelerarne il decorso.

Tra le tante reazioni degne di nota citiamo la decomposizione del perossido di idrogeno che tende a decomporsi lentamente in presenza di luce:

2 H2O2 → 2 H2O + O2

La reazione di decomposizione avviene rapidamente in presenza di svariati catalizzatori secondo una catalisi eterogenea come ad esempio il biossido di manganese MnO2 sebbene sia stata studiata la cinetica della reazione anche con ossido di ferro (III) Fe2O3, ossido di rame (II) CuO, biossido di afnio HfO2, ossido di gadolinio (III) Gd2O3  e biossido di cerio CeO2

Un’altra reazione di importanza industriale diffusamente utilizzata nel campo dell’industria alimentare è l’’idrogenazione che viene usata per convertire i grassi polinsaturi per saturare parzialmente i doppi legami convertendo gli oli vegetali in grassi solidi come quelli che sono presenti nella margarina.

CnH2n + H2 → CnH2n+2

Le reazioni di idrogenazione catalitica vengono realizzate generalmente in fase eterogenea; vengono effettuate in presenza di catalizzatore in quanto pur essendo in genere favorite da un punto di vista termodinamico non lo sono da un punto di vista cinetico stante la forza del legame tra i due atomi di idrogeno presenti nella molecola di H2. 

I catalizzatori che possono essere usati sono rutenio, palladio, cobalto, rodio, platino o Nichel Raney.

Una delle reazioni più interessanti che rivoluzionò la chimica dei fertilizzanti e degli esplosivi è la sintesi dell’ammoniaca realizzata dal chimico tedesco Fritz Haber  utilizzando come reagenti azoto e idrogeno in presenza di un catalizzatore eterogeneo a base di ferro. 

N2 + 3 H2 → 2 NH3

La ricerca del catalizzatore adatto fu lunga e laboriosa e inizialmente fu adottato il tetrossido di osmio OsO4, ma i suoi  alti costi, unitamente alla sua scarsa disponibilità spinsero Haber a ricercare un altro catalizzatore che fu individuato nel ferro attivato con ossidi di metalli alcalini.

In particolare venne utilizzato, unitamente al ferro, l’ossido di potassio K2O quale promotore e l’ossido di alluminio Al2O3 quale protettore.

La sintesi dell’acido solforico riveste un’enorme importanza al punto che il suo consumo è un indice delle attività chimiche di una nazione.

Uno dei processi di produzione industriale è quello a contatto catalitico. La fase critica della sintesi dell’acido solforico è la preparazione di SO3 che viene poi fatto ulteriormente reagire per dare H2SO4. La sintesi di SO3 viene realizzata usando quale catalizzatore il pentossido di bivanadio che agisce secondo Neumann secondo la seguente sequenza di reazioni:

V2O5 + SO2 = V2O4 + SO3

V2O + 2 SO2 + O2 = 2 VOSO4

2 VOSO4 = V2O5 + SO2 + SO3

Tra le infinite reazioni che vengono realizzate quotidianamente nelle industrie quella che è più cara ai chimici italiani è sicuramente quella del polipropilene isotattico che valse a un italiano per la prima e speriamo non ultima volta il Premio Nobel per la Chimica.

Giulio Natta, unitamente a Karl Ziegler ottennero l’ambito premio per la scoperta dei catalizzatori stereospecifici che in loro onore vengono tuttora chiamati catalizzatori Ziegler Natta.

Il monomero di partenza per la sintesi del polimero è il propilene e la reazione di polimerizzazione può essere schematizzata come segue:

polimerizzazione

Il catalizzatore usato nella sintesi riesce ad orientare in modo regolare tutti i gruppi –CH3 dallo stesso lato della catena polimerica ed è detto stereospecifico.

Esso è costituito da un catalizzatore e da un co-catalizzatore: il catalizzatore è tricloruro di titanio TiCl3 o tetracloruro di titanio TiCl4 a cui vengono affiancati Al(C2H5)2Cl o Al(C2H5)3. Consideriamo il sistema TiCl3/ Al(C2H5)2Cl.

Solo lo studio e la ricerca possono portare a risultati inaspettati consentendo la realizzazione di reazioni che, sia pur termodinamicamente favorite, non vengono fatte perché non si conosce il catalizzatore adatto.

 

 

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Author: Chimicamo

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