Catalitzadors: Funcions, Tipus i Característiques

CATALITZADOR

Substància química que intervé en el mecanisme de reacció, accelerant, però sense que es produeixi modificació o consum apreciable de la mateixa. El catalitzador no altera les condicions de l'equilibri de la reacció, ja que, per a reaccions reversibles, accelera tant la reacció directa com la inversa.

Reduir la velocitat o inhibir

La reacció que es consideri, per resultar inconvenient. En aquest cas, al catalitzador se li sol denominar també inhibidor.

D'acord amb les fases presents, la catàlisi pot passar:

• en un medi homogeni
• o en un medi heterogeni

L'expressió de l'equació de velocitat global pot resultar bastant complexa ja que, al costat de les velocitats de transport del reaccionant gasós, apareixen les velocitats d'adsorció, desorció i la de la pròpia reacció química.

Efectes calorífics:

Si la transmissió de calor a la zona de reacció no és prou ràpida com perquè les partícules de catalitzador es mantinguin en condicions isotèrmiques, la velocitat de reacció es veurà afectada.

Catalitzadors sòlids

La catàlisi constitueix actualment la base de la indústria química moderna en la qual els processos catalítics ocupen un lloc important en camps tan variats com la indústria de petroli o en el sector de la indústria química inorgànica.

Composició dels catalitzadors sòlids

Bàsicament un catalitzador en les seves diferents formes (esferes, pastilles, palets, etc.) està constituït per:

• un suport, generalment un sòlid porós de gran àrea superficial,
• sobre el qual es diposita l'agent catalític
• i, en certes ocasions, alguns additius coneguts com a promotors.

Agent catalític o fase activa:

Constitueix la part essencial de catalitzador, ja que és la que determina la interacció de les espècies catalítiques accelerant la seva velocitat de transformació. No obstant això, no solen presentar suficient àrea de contacte superficial per unitat de massa, de manera que s’han d’ "estendre" o dispersar sobre un altre sòlid porós, el suport els suports de gran àrea superficial asseguraran una major dispersió de la fase activa. Així mateix, els suports proporcionen al catalitzador major resistència mecànica i estabilitat tèrmica. Hi ha actualment gran varietat de suports, alguns d'origen natural i altres sintètics.

Promotors

Són substàncies que s'afegeixen en petites quantitats durant la preparació del catalitzador i la seva presència millora tant l'activitat i selectivitat (promotors químics) com l'estabilitat i la resistència del catalitzador evitant o disminuint problemes com el de l'abrasió, la sinterització, etc. (promotors físics).

Característiques dels catalitzadors sòlids

• Selectivitat: Expressa l'especificitat del catalitzador per accelerar la reacció desitjada sense influir en les possibles reaccions simultànies restants. És, per tant, una propietat essencial del catalitzador.
• Activitat: Indica la capacitat del catalitzador d'augmentar la velocitat de reacció. S'expressa freqüentment com la velocitat de conversió d'un reaccionant per unitat de massa o de volum de catalitzador. L'activitat catalítica dependrà de la superfície disponible per a la reacció, de la configuració dels àtoms en la superfície o centres actius i de la naturalesa química del catalitzador.
• Estabilitat: Propietat de mantenir l'activitat i selectivitat inicials del catalitzador al llarg del seu temps d'ús. És important que el catalitzador mantingui una porositat adequada perquè hi hagi una bona difusió, i una bona resistència mecànica perquè el desgast o abrasió durant el seu transport, càrrega al reactor i utilització siguin mínims.
• Regeneració: Alguns catalitzadors es poden reactivar fàcilment per combustió o per reacció química, depenent de les causes que han motivat la seva pèrdua d'activitat.

Desactivació

La presència de petites quantitats d'impureses introduïdes amb els reactius o produïdes per la pròpia reacció, provoquen una disminució progressiva de l'activitat del catalitzador i per tant el seu enverinament. Les impureses s'adsorbeixen a l'interior de l'estructura porosa del catalitzador i en anar cobrint la seva superfície es va reduint l'activitat, havent-se de difondre els reaccionants a zones no ocupades perquè tingui lloc la reacció. Si la impuresa es distribueix de manera uniforme (d'enverinament homogeni), en contaminar-se primer una zona molt activa de la superfície exterior propagant posteriorment cap a l'interior fins a fer-se inaccessible per als reaccionants (enverinament selectiu).

Classificació dels catalitzadors

D'acord amb la seva mobilitat electrònica, distingeix entre:

• els conductors: Els metalls, a causa de la presència d'electrons a la banda de conducció, són conductors i la quimisorció en la seva superfície té lloc per formació d'enllaços covalents
• semiconductors: Són òxids, que tenen la capacitat d'intercanviar electrons quan es subministra la suficient quantitat d'energia, de manera que poden catalitzar les mateixes reaccions que els metalls, però a més altes temperatures, sent menys susceptibles a l'enverinament.
• aïllants: Els òxids del tercer període de la taula periòdica, són aïllants i, passen de presentar propietats bàsiques a àcides. Alguns d'ells, com l'alúmina, presenten propietats refractàries i, per tant, són resistents a la sinterització, el que els fa útils com a suports de catalitzadors poc estables a temperatures altes.

Zeolites: són aluminosilicats cristal·lins d'estructura regular i de naturalesa porosa, obtingudes en la seva major part de forma sintètica. Les zeolites es caracteritzen per una estructura tridimensional de tetràedres de sílice i alúmina, podent adoptar diferents configuracions depenent de la proporció d'aquests tetraedres i de la seva separació.