Catalisis

CONCEPTOS

La catálisis es el proceso a través del cual se incrementa la velocidad de una reacción química. El proceso de catálisis implica la presencia de una sustancia que, si bien es cierto, es parte del sistema en reacción, la misma se puede llevar a cabo sin la primera. Esta sustancia se llama catalizador.

El catalizador es una sustancia que afecta la velocidad de una reacción, reaccionando, regenerándose y que puede ser recuperado al final de la reacción (el catalizador se fragmenta en pequeñas partículas para acelerar el proceso). Si retarda la reacción se llama inhibidor.

La catálisis se clasifica en función de la naturaleza química del medio de la reacción. A partir del número de fases presentes es posible agrupar en:

Catálisis Homogénea y Heterogénea o de contacto

En la primera tiene lugar cuando los reactivos y el catalizador se encuentran en la misma fase, sea líquida o gaseosa. El catalizador actúa cambiando el mecanismo de reacción, es decir, se combinan con alguno de los reactivos para formar un intermedio inestable que se combina con más reactivo dando lugar a la formación de los productos, al mismo tiempo que se regenera el catalizador.

Es importante resaltar, que en este tipo de catálisis predomina la ausencia de efectos de envenenamiento tan frecuentes. Uno de los inconvenientes de la catálisis homogénea es la dificultad de separar el catalizador del medio reaccionante. Con base en esta inconveniencia se han intentado diseñar "catalizadores homogéneos soportados", en los cuales se desea inmovilizar el complejo metálico activo sobre un soporte como sílice, alúmina o carbón. Sin embargo en muchos casos esto no es posible, ya que la entidad catalítica activa no es el complejo inicialmente introducido a la reacción, sino una especie derivada de él.

En la catálisis heterogénea, una superficie sólida actúa como catalizador, mientras que las sustancias que reaccionan químicamente están en fase líquida o gaseosa. Este tipo de catálisis tiene una enorme importancia tecnológica. Aquí los catalizadores son materiales capaces de absorber moléculas de reactivo en sus superficies, consiguiendo mayor concentración y superficie de contacto entre reactivos, o debilitando sus enlaces disminuyendo la energía de activación. Los productos abandonan el catalizador cuando se forman, y este queda libre para seguir actuando. Los catalizadores heterogéneos más usados son metales u óxidos de metales finamente divididos, como por ejemplo el hierro, el platino, el níquel, el trióxido de aluminio.

Este tipo de catálisis tiene una enorme importancia en nuestra vida cotidiana, ya que el 90% de los procesos de fabricación de productos químicos en el mundo emplean la catálisis heterogénea en una forma u otra. Así, por ejemplo, se la utiliza ampliamente en la industria química para reducir la contaminación ambiental, o en la fabricación de amoníaco, que es un fertilizante imprescindible en la agricultura y, por lo tanto, en las industrias asociadas a ella como es la industria de alimentos.

Tipos de Catalizadores

Los catalizadores pueden ser: Porosos, Tamices moleculares, Monolíticos, Soportados y No soportados.

C. Poroso: Es el catalizador que contiene un área considerable debido a sus poros, ejemplos: el platino sobre alúmina (utilizado para la reformación de naftas de petróleo para tener octanajes altos), el hierro (utilizado en síntesis de amoniaco), el níquel Raney (empleado para la hidrogenación de aceites vegetales y animales).

C. Tamices moleculares: En estos materiales los poros son tan pequeños que solo admiten moléculas pequeñas, pero impiden la entrada de las de gran tamaño, y se derivan de sustancias naturales, como ciertas arcillas y zeolitas, o bien son totalmente sintéticos como es el caso de algunos aluminosilicatos cristalinos. Estos tamices constituyen la base de catalizadores altamente selectivos; los poros controlan el tiempo de residencia de diversas moléculas cerca de la superficie catalíticamente activa, hasta un grado que en esencia permite que sólo las moléculas deseadas reaccionen.

C. Monolíticos: Estos pueden ser porosos o no porosos, se emplean en procesos donde son importantes la caída de presión y la eliminación de calor. Ejemplo típico son el reactor de grasa de platino, que se emplea en la oxidación del amoniaco durante la manufactura de ácido nítrico, así como en los convertidores catalíticos que se usan para oxidar contaminantes del escape de automóviles.

C. Soportados: Es cuando el catalizador consta de diminutas partículas sobre un material activo dispersado sobre una sustancia menos activa llamada soporte, con frecuencia, el material activo es un metal puro o una aleación metálica. Algunos ejemplo son el convertidos catalítico automotriz de lecho empacado, el catalizador de platino soportado en alúmina, que se emplea en reformación de petróleo y el pentóxido de vanadio sobre sílica, que se utiliza para oxidar dióxido de azufre en manufactura de ácido sulfúrico.

C. No soportados: Es cuando no consta de esas diminutas partículas mencionadas en el catalizador soportado solo para diferenciar uno de otro, ejemplo la gasa de platino para oxidación de amoniaco, el hierro promovido para síntesis de amoniaco y el catalizador para des-hidrogenación de sílica-alúmina, que se usa en la manufactura de butadieno.

Propiedades de los catalizadores

Debido a que la reacción catalítica ocurre en la interfase entre el fluido y el sólido, es esencial que el área interfacial sea grande para lograr una velocidad de reacción significativa. En muchos catalizadores el área está dada por la estructura interna porosa (es decir el sólido contiene muchos poros finos, cuya superficie constituye el área necesaria para una velocidad de reacción alta). EL área que tienen algunos materiales porosos es sorprendentemente grande. Un catalizador típico de sílica-alúmina, que se emplea en la desintegración catalítica, tiene un volumen de poro de 0.6cm3/g y un radio promedio de poro de 4nm. El área superficial correspondiente es de 300m2/g.

La mayoría de los catalizadores no mantienen su actividad al mismo nivel por periodos indefinidos, sino que experimentan desactivación, es decir, la actividad catalítica disminuye con el transcurso del tiempo. La desactivación del catalizador en ocasiones se debe a:

El fenómeno de envejecimiento, el cual puede ser, por ejemplo, un cambio gradual en la estructura de la superficie del cristal.

Envenenamiento que consiste en formación irreversible de depósitos

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