Transcript: Influenţa catalizatorilor asupra vitezei de reacţie

Lecțiile trecute am văzut cum i-a influențat viteza de reacție de concentrațiile reactantilor, de suprafața de contact și de temperatură.
Vom vedea acum și care este influența catalizatorilor asupra vitezei de reacție.
Catalizatorul este o substanță ce participă la o reacție chimică și mărește viteza acestei reacții, însă nu influențează niciun alt fel reacția și produsii care se obțin.
Ba chiar acea reacție poate avea loc și fără prezența unui catalizator, deși ar dura mult mai mult.
De asemenea, catalizatorul nu suferă nicio schimbare chimică netă în timpul reacției.
Deci, catalizatorii nu se consumă, ei pot fi reciclați.
Deși în ceea ce privește produsii de reacție, rezultatul este același, modul de funcționare al catalizatorilor este oferirea unui mecanism de reacție alternativ.
Iar acest mecanism alternativ presupune o stare de tranziție diferită și o energie de activare mai scăzută.
Cu alte cuvinte, catalizatorul modifică mecanismul unei reacții chimice, iar reacția catalizată va decurge în mai multe etape.
Fiecare etapă se caracterizează printr-o energie de activare mai mică decât energia de activare a reacției necatalizate.
Consecința este că mai multe particule vor avea energia de activare necesară pentru adaciocnire eficace.
Iar mai multe ciocnire eficace înseamnă o viteză de reacție mai mare.
Haideți să privim această diagramă energetică pentru o reacție generală de forma X plus Y formează produsul Z.
Pentru această reacție necatalizată avem energia de activare Ea reprezentată cu gri pe diagramă.
Însă atunci când aceeași reacție se desfășoară în prezența unui catalizator, mecanismul reacției ar putea fi acesta.
Avem o primă etapă care se desfășoară mai lent, după cum vedem și pe grafic.
Însă energia de activare necesară notată cu Ea1 este mai mică decât energia de activare a reacției necatalizate.
Are loc și o a doua etapă care decurge mai rapid.
Vedem că energia de activare necesară notată cu Ea2 este cu mult mai mică.
Variația energiei potențiale pentru reacția catalizată este redată cu albastru pe diagramă.
Iar totalul Ea2 plus Ea1 a reacției catalizate este mai mic decât Ea, adică energia de activare a reacției necatalizate.
Din aceste reacții generale, vedem că în timpul ciclului catalitic, catalizatorul se transformă în diferit intermediar, dar la sfârșitul ciclului se regăsește în forma inițială.
Foarte multe reacții au un mecanism complex care are mai multe etape, indiferent că se folosește sau nu catalizatorul.
Într-o reacție care are, de exemplu, trei etape, să zicem că a doua este etapa lentă, cea care necesită energia de activare cea mai mare.
Viteza unei astfel de reacții, care decurge în mai multe etape, coincide cu viteza etapei lente.
Aceasta este etapa determinantă de viteză.
Nu contează cât de rapid are loc prima etapă. Reacția nu va evolua până când nu trece de etapa lentă.
Problema este că nu ne putem permite întotdeauna să așteptăm după această etapă. Unor trebuie puțin împise de la spate.
Și aici intervin catalizatorii care vor micșora energia de activare, astfel mărind viteza de reacție.
Catalizatorii pot lua multe forme diferite. Pot fi o altă substanță chimică pe care o adăugăm în vasul de reacție,
o bucată de metal care intră în contact cu reactanții sau pot avea chiar și formă gazoasă.
Aproape toate dintre chimicalele produse industriali sunt obținute prin reacții catalitice.
Reacțiile catalitice fiind deci reacțiile care au loc în prezența catalizatorilor.
Însă una dintre cele mai importante clase de catalizatori sunt enzimele din organismele vii.
Fără enzime, majoritatea proceselor chimice din organismul nostru care trebuie să aibă loc în continuu pentru ca noi să fim în viață.
Deci fără enzime, procesele care ne mențin în viață ar încetini mult prea mult pentru a mai fi eficiente.
Noi pur și simplu nu am putea supraviețui fără enzime.
Catalizatorii prezintă mai multe proprietăți, dintre care cele mai importante sunt activitatea catalitică și selectivitatea.
Vom discuta câte puțin despre fiecare.
Activitatea catalitică se măsoară prin numărul de molecule de reactant care se transformă în unitatea de timp pe unitatea de sprafată de catalizator.
Pentru că și sprafata de contact este foarte importantă.
Catalizatorii sunt preparați astfel încât suprafata de contact cu reactanții să fie cât mai mare.
Activitatea catalitică scade în timp.
În cât timp scade, acest lucru depinde de particularitățile fiecarei reacții catalitice în parte.
Însă, activitatea este influențată de promotori și otrăvuri.
Haideți să vedem acum și ce sunt aceste substanțe.
Promotorii sunt substanțe care îmbunătățesc proprietățile catalitice.
De exemplu, măresc activitatea catalitică a catalizatorilor.
Însă, e important de reținut că promotorii nu modifică viteza de reacție în absența catalizatorilor.
Un exemplu este folosirea luminei, adică oxidului de aluminiu, în prepararea catalizatorului pentru sinteza ammoniacului.
Fierul este catalizatorul pentru obținerea ammoniacului, însă, în condițiile de sinteza ale ammoniacului, fierul se dezactivează foarte rapid.
Prin adăugare a luminei, activitatea catalitică se dublează, iar în plus, catalizatorul rămâne activ câteva luni.
Pe de altă parte, există și otrăvuri.
Acestea sunt substanțe care diminuează sau chiar anulează activitatea catalitică.
De exemplu, catalizatorul de fier pentru sinteza ammoniacului se otrăvește când amestecul de reacție ajunge să conțină urme de monoxid de carbon.
Catalizatorul își poate recăpăta activitatea când se elimină monoxidul de carbon din fluxul de gaze.
Și cea de-a doua proprietate importantă a catalizatorilor este selectivitatea.
Aceasta reprezintă capacitatea unui catalizator de a favoriza o anumită reacție din mai multe posibile,
adică capacitatea de a dirija transformarea chimică preferențial spre formarea unui anume produs de reacție,
acolo unde s-ar fi putut forma mai mulți produsi.
Am spus mai devreme că avem catalizator de mai multe tipuri și forme.
În funcție de starea de agregare a catalizatorilor, dar și a reactanților, există mai multe tipuri de reacții catalitice.
Avem reacții catalitice omogene.
În acest caz, reactanții și catalizatorul formează o singură fază.
De cele mai multe ori, o fază lichidă.
Un catalizator omogen este prezent dizolvat în mediul de reacție.
Există foarte multe substanțe care în mediul lichid pot acționa drept catalizatori omogeni,
de exemplu acizi, bazele, ionii hidroxil sau hidroniu,
dar mai ales combinațiile complexe ale metalelor tranziționale.
În reacțiile catalitice eterogene,
catalizatorul și reactanții nu aparțin aceleiași faze.
Reacția chimică are loc la interfața formată de fazele aflate în contact.
Așadar, în cataliza eterogenă, sunt posibile tot felul de combinații,
de stări de agregare ale catalizatorilor și ale reactanților,
dar cel mai mare interes practic îl prezintă reacția mestecurilor de gaze sau lichide pe catalizator solii.
În industrie se utilizează foarte mult cataliza eterogenă,
în special pentru că materialele solide utilizate drept catalizator au rezistență termică ridicată,
iar produsii de reacție se pot separa de catalizator fără a fi nevoie de etape suplimentare de prelucrare.
În general, catalizatorii au nevoie de un suport solid pe care să fie depuș.
Suportul pe care este depus un catalizator
joacă un rol foarte important în reacția catalitică.
Acesta poate îmbunătăți calitățile mecanice ale catalizatorului.
Ne putem imagina un suport catalitic ca fiind un material solid poros
care captează moleculele de catalizator în porii săni
și le ține acolo fixate, lăsându-le totuși îndeajuns de mult spațiu
cât să se poată forma și interfața la care are loc reacția chimică.
Drept suport pentru catalizator se utilizează mai multe materiale,
printre care argile, azbest, carbone activ, piatră ponce și oxid de aluminiu sau alumina,
de care vorbeam mai devreme.
Și un al treilea tip de reacții catalitice sunt reacțiile enzimatice,
când catalizatorul este o enzimă.
După cum am mai zis, toate organismele vii depinde de enzime,
însă există și multe procese industriale în care toate enzimele sunt catalizatorii.
Mai există o clasă de compuș pe care trebuie să o cunoaștem atunci când vorbim de catalizatori.
Este vorba de inhibitorii.
Inhibitorii au capacitatea de a micșora viteza reacțiilor chimice,
acționând asupra reactanților.
Deci să nu confundăm inhibitorii cu otrăvurile care acționează asupra catalizatorului.
Dacă ne gândim la o reacție chimică precum coroziunea,
clar am vrea să încetinim cât mai mult procesul prin care se distrug metalele.
În funcție de metale și de condițiile de care trebuie să le protejăm,
se pot folosi fie inhibitori organici, fie anodizante,
Așadar, catalizatorii sunt substanțe care măresc viteza de reacție,
iar inhibitorii micșorează viteza de reacție.
Pe lângă importanta lor practică în industrie.
Catalizatorii joacă un rol din ce în ce mai important și în protecția mediului.
Asta deoarece prin reacții catalitice se pot distruge agenții poluanți
sau se pot dezvolta procese industriale noi, mai puțin poluante.