Catálisis

Universidad Central de Venezuela

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Química

Departamento de Diseño y Control de Procesos

Fundamentos de Catálisis

Prof. Trino Romero

1. Catálisis: principios básicos

Los procesos de transformación química están sustentados en la termodinámica de las reacciones químicas, en la cual los principios fundamentales de cambios de energía libre de Gibbs (∆G), la entalpía (∆H) y de entropía (∆S) comprenden el estado inicial y final de sistema de reacción. La cinética química (constante de velocidad k, energía de activación, E) controla los diferentes pasos de transformación química. La incorporación de un catalizador en un proceso de reacción conduce a cambios en los parámetros cinéticos y en el significado de los mismos.

1.1 Definiciones de la catálisis

Jöhs Jakob Berzelius (1835) define a un catalizador como una sustancia que puede despertar afinidades dormidas a una temperatura por su simple presencia y no por su propia afinidad. En 1985 Ostwald (Premio Nobel 1909), redefine a un catalizador como, sustancia que cambia la velocidad de reacción sin modificar los factores de energía de la reacción. En el 1817 Humphry Davy (Royal Society, London) demostró que una lámpara a base de gas/carbón permanece encendida mediante el uso de un alambre de platino, el cual cataliza la reacción:

2 H2 + O2 → 2H2O + 4e- + ∆

Lemoine (1877) descubre para la reacción de composición y descomposición de hidruro de hidrógeno utilizando un catalizador de platino/esponja conduce más rápido al equilibrio que en ausencia del mismo. Siendo este fenómeno reversible:

2HI ↔ H2 + I2

Pt/esponja

Lemoine demostró que la descomposición del hidruro de hidrógeno tarda en alcanzar el equilibrio en 300 horas sin la presencia de catalizador (Pt/esponja).

El catalizador es una sustancia que incrementa la velocidad de reacción, en la cual un sistema químico tiende al equilibrio, sin ser consumido en el proceso.

La Catálisis es el fenómeno originado por la acción de un Catalizador.

Siendo las propiedades del mismo las siguientes:

 Aumenta la velocidad de reacción.

 No modifica las variables termodinámicas.

 No modifica la constante de equilibrio de una reacción química.

El catalizador es un sólido de propiedades catalíticas específicas basado en:

 Un diseño conceptual que conduce a transformaciones químicas especificas de un compuesto de interés.

 La reproducibilidad de sus propiedades físicas y químicas lo hace diferente de otro sólido.

En la catálisis heterogénea la transformación de las moléculas se originan en la interfase entre el catalizador, en estado sólido, y la molécula reactante en estado líquido o gaseoso. Estos fenómenos superficiales requieren de un estudio a profundidad para su entendimiento y reproducibilidad.

1.1.2. Fenómenos en la superficie de un catalizador.

 Fase activa: Es un sólido másico (óxido metálico amorfo o cristalino) o una fase activa superficial sobre un soporte inerte o activo. La fase activa puede transformarse durante el proceso de reacciones químicas, ya que ocurren fenómenos de migración y/o aglomeración de átomos metálicos en la superficie, deposición de compuestos o métales contaminantes sobre la superficie del catalizador.

 Interfase catalizador/reactante:

 La molécula de reactante en estado gaseoso o líquido se transforma en la interfase del catalizador en productos, dando origen al estudio de la conversión y selectividad de un catalizador, y a la cinética de la reacción.

 En la interfase del catalizador se llevan a cabo los fenómenos de difusión, adsorción, formación de enlace y transformación de la superficie del catalizador.

 La fluido dinámica de reactantes y productos en la superficie del catalizador requiere del estudio de los fenómenos de transporte, transferencia de masa y calor.

Estos aspectos en la interfase del catalizador están interrelacionados y tienen que ser estudiados o investigados de manera simultánea para un mejor entendimiento de la catálisis.

2. Caracterización de un catalizador

En la figura 1 se representa de manera esquemática la caracterización física y química de un catalizador.

La caracterización de un catalizador consiste en determinar las propiedades estructurales y de composición másica y superficial del mismo.

 Las propiedades de textura comprenden las propiedades físicas del catalizador:

• Resistencia de lecho

• Resistencia de pastilla

• Pérdidas por atrición

• Pérdida por abrasión

• Densidad del catalizador

• Área superficial/porosidad

Estas propiedades físicas del catalizador junto con la composición química son las características comunes que reportan los comercializadores de catalizadores. Además, estas son las bases de certificación de un catalizador comercial.

Figura 1. Caracterización física y química de un catalizador

 Las propiedades fisicoquímicas del catalizador consisten en caracterizar la composición y estructuras cristalinas másica y superficial:

• Composición y estructuras: tipo de fases cristalinas, tamaño de cristal, distribución de partículas y fases cristalinas.

• Características superficiales: composición de las especies en superficie, dispersión de los metales, acidez total, tipos de sitios ácidos y distribución, estado de oxidación de las especies y entorno químico de las especies en superficie.

Las técnicas de caracterización desarrolladas para el análisis de los catalizadores han contribuido al:

 Conocimiento de la propiedad catalítica especifica.

 Reproducibilidad en la manufactura.

 Mejoras en los métodos de preparación.

 Mejoras en el rendimiento de productos.

 Mejoras en la vida útil del catalizador.

 Mejoras en los procesos de activación.

 Comprensión de los procesos de desactivación.

 Mejoras en los procesos de regeneración.

 Soluciones de problemas operacionales que afectan el catalizador y por ende el proceso catalítico.

La complejidad de los fenómenos de superficie originan implicaciones

...