Catalizadores Solidos

Capitulo 8.- Catalizadores sólidos

Los catalizadores dependen para su actividad, cuando menos en parte, de la extensión de su área superficial. Es difícil obtener áreas superficiales externas de más de 1 m2/g por medio de una subdivisión de sólidos no porosos en partículas pequeñas. Para que resulten efectivos, la mayoría de los catalizadores sólidos deben tener áreas superficiales del orden de 5 a 1000 m2/g. Por consiguiente, los catalizadores sólidos casi siempre son porosos. En este tipo de materiales, las propiedades geométricas de los poros pueden afectar a la velocidad total de reacción.

8-1 Determinación del área superficial

El método más común para la medición de áreas superficiales se basa en la adsorción física de un gas en la superficie sólida. Generalmente se determina la cantidad de nitrógeno gaseoso adsorbido en equilibrio al punto de ebullición normal (-195.8°C) en un intervalo de presiones inferiores a 1 atm. Bajo estas condiciones, se pueden adsorber consecutivamente varias capas de moléculas sobre la superficie. Para poder determinar el área es necesario identificar la cantidad adsorbida que corresponde a una capa monomolecular.

En el método clásico para determinar áreas superficiales se usa un aparato en su totalidad construido de vidrio para medir el volumen del gas adsorbido en una muestra del material sólido.’ El aparato opera a presiones bajas que pueden variarse desde casi cero hasta 1 atm. La temperatura de operación es del orden de magnitud del punto de ebullición normal. Los datos obtenidos son volúmenes de gas a una serie de presiones en la cámara de adsorción. Los volúmenes observados se corrigen a centímetros cúbicos a 0 “C y 1 atm (temperatura y presión normales) y se grafican en función de la presión en milímetros, o en forma de la relación entre la presión y la presión de vapor a la temperatura de operación.

8-2 Volumen de espacios vacios y densidad del sólido

El volumen de espacios vacíos o volumen de poros de una partícula catalítica se puede estimar hirviendo una muestra previamente pesada sumergida en un líquido como el agua. Después de que se ha desplazado el aire de los poros, la muestra se seca superficialmente y se pesa. El aumento de peso dividido entre la densidad del líquido, es igual al volumen de los poros.

Un procedimiento más preciso es el método de helio-mercurio. Se mide el volumen de helio desplazado por una muestra de catalizador; después se elimina el helio y se mide el volumen de mercurio desplazado. Puesto que el mercurio no llena los poros de la mayoría de los catalizadores a presión atmosférica, la diferencia de volúmenes da el volumen de poros de la muestra de catalizador. El volumen de helio desplazado es una medida del volumen ocupado por el material sólido.

8-3 Distribución del volumen de poros

Es deseable conocer la distribución del volumen de espacios vacíos en un catalizador en base al tamaño y a las aberturas. Este es un problema difícil puesto que los espacios vacíos de una determinada partícula no son uniformes en cuanto a tamaño, forma y longitud y, por lo general, están interconectados. Además, estas características pueden variar notablemente de un tipo de partícula catalítica a otro.

8-4 Teorías de la catálisis heterogénea

La comprensión del mecanismo de funcionamiento de los catalizadores ha sido un problema muy desafiante y elusivo. La aceptación que han llegado a tener varias teorías desaparece como explicación general de la actividad catalítica a medida que se van obteniendo nuevas evidencias experimentales. En orden cronológico, Sebatierl sugirió que el mecanismo de la actividad del níquel como catalizador de hidrogenación, puede involucrar la formación de un compuesto químico; el hidruro de níquel. Desde entonces se le ha seguido dando importancia al factor químico. Posteriormente; Taylor, Balandin y Beeck comprobaron la importancia de las propiedades geométricas. De acuerdo con este concepto, la actividad catalítica de una superficie sólida depende de la separación entre los átomos, lo que facilita la adsorción de las moléculas reactantes. Con el paso del tiempo, han surgido muchas dudas sobre la teoría geométrica, excepto en lo que se refiere a las películas metálicas. Las investigaciones de Boudart y Beeck debilitaron los conceptos de las consideraciones geométricas, acentuando la importancia de las propiedades electrónicas. En 1948, Dowden y Cols propusieron que los catalizadores se clasificaran, en base a su movilidad de electrones, como conductores, semiconductores

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