Catalizzatore
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Viene chiamato catalizzatore un composto in grado di modificare la velocità di una reazione chimica senza essere consumato alla fine della reazione stessa. La modifica è nella stragrande maggioranza dei casi un aumento di velocità, e l'effetto è tale da rendere possibili reazioni che in condizioni normali non procederebbero in maniera apprezzabile: i casi più eclatanti si hanno in biochimica, dove gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni anche di 1020 volte.
Un catalizzatore, in generale, modifica il meccanismo di reazione della reazione a cui partecipa: il più delle volte, questo si traduce in un abbassamento del salto di energia potenziale, detto energia di attivazione, che i reagenti devono compiere per raggiungere uno stato di transizione. In ogni caso, la presenza di un catalizzatore non rende possibile una reazione termodinamicamente sfavorita, e non modifica la posizione dell'equilibrio chimico.
Lo schema più semplice di intervento di un catalizzatore C nella reazione fra due composti A e B è:
A + C → AC
AC + B → AB + C
La reazione netta è sempre A + B → AB , mentre C viene rigenerato alla fine di ogni ciclo e non si consuma. Nel caso in cui un reagente si lega al catalizzatore in modo permanente, si parla di avvelenamento del catalizzatore, che perde così la sua efficacia.
[modifica] Catalizzatori omogenei ed eterogenei
Un catalizzatore è detto omogeneo se si trova nella stessa fase dei reagenti: un esempio è la molecola cloro-tris(trifenilfosfina)-rodio(I) [RhCl(PPh3)3] (catalizzatore di Wilkinson), usata per l'idrogenazione in soluzione degli alcheni. Il vantaggio dei catalizzatori omogenei sta in un miglior contatto con i reagenti; questo è al tempo stesso uno svantaggio, perché è difficile separare e recuperare il catalizzatore alla fine della reazione.
Un catalizzatore è detto eterogeneo se si trova in una fase diversa rispetto ai reagenti: un semplice modello per i catalizzatori eterogenei prevede l'adsorbimento chimico dei reagenti sulla superficie del solido, e l'indebolimento dei legami interni alle molecole dei reagenti in modo da rendere più facile la formazione di nuovi legami. Il prodotto della reazione ha una minore affinità col catalizzatore e viene rilasciato (desorbimento). Un esempio classico è il ferro usato nel processo Haber per fare reagire azoto e idrogeno e produrre ammoniaca: il triplo legame che tiene saldamente uniti i due atomi di azoto è indebolito dall'adsorbimento sulla superficie del catalizzatore, rendendo più reattivo il gas e aumentando la velocità della reazione.
[modifica] Catalizzatori di interesse industriale
Dal punto di vista pratico, l'uso principale dei catalizzatori nell'industria chimica consente condizioni di reazione meno drastiche per fare procedere velocemente reazioni di sintesi. Si stima che almeno il 60% di tutte le sostanze commercializzate oggi richiedano l'uso di catalizzatori in qualche stadio della loro sintesi.
Dal punto di vista chimico, i catalizzatori eterogenei possono essere raggruppati come segue:
- metalli: ferro, platino, argento, rutenio, rodio (idrogenazione e deidrogenazione)
- ossidi isolanti: ossido di alluminio, silice, ossido di magnesio (disidratazione)
- ossidi semiconduttori: ossido di zinco, ossido di nichel (ossidazione)
- acidi: ossido di alluminio su silice, zeoliti (polimerizzazione, cracking, alchilazione)
Alcuni fra i più importanti catalizzatori eterogenei usati nell'industria chimica sono:
- platino con 10% rodio (processo Ostwald, produzione di acido nitrico)
- tetracloruro di titanio e un composto organometallico di alluminio (processo Ziegler-Natta, polimerizzazione di vari polimeri)
- ossido di cromo (processo Phillips, polimerizzazione del polietilene)
- la zeolite ZSM-5 (conversione di idrocarburi)
- pentossido di vanadio (produzione di anidride ftalica)
Alcuni esempi di catalizzatori omogenei d'interesse industriale:
- nichel(IV) acetilacetonato (sintesi del benzene)
- dicarbonildiiodo-iridio(III) (processo Cativa, sintesi dell'acido acetico)
- ottacarbonilcobalto(II) (idroformilazione, sintesi di aldeidi)
- cloruro di alluminio(III) (reazione di Friedel-Crafts, sintesi dell'etilbenzene)
[modifica] Catalisi ambientale
I catalizzatori usati nelle marmitte delle automobili sono formati da metalli nobili (generalmente platino e rodio) dispersi su un supporto ceramico, formato da ossido di cerio e zirconio. Promuovono la contemporanea ossidazione del carburante incombusto e del monossido di carbonio ad anidride carbonica e acqua, e la riduzione degli ossidi di azoto ad azoto e acqua. Data la contemporanea attività su tre reazioni, sono detti catalizzatori a tre vie (TWC).
