Catalizzatore

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Un catalizzatore è una sostanza, fonte o dispositivo che interviene in una reazione chimica aumentandone la velocità ma rimanendo inalterato al termine della stessa. L'aumento di velocita viene reso possibile grazie alla diminuzione dell'energia di attivazione (energia potenziale), che deve essere raggiunta per far si che i reagenti evolvano poi spontaneamente verso il prodotto/i. L'effetto è tale da rendere possibili reazioni che in condizioni normali non procederebbero in maniera apprezzabile: i casi più eclatanti si hanno in biochimica sia in laboratorio che nella ingegneria biochimica, dove gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni anche di 10²⁰ volte.

Un catalizzatore, in generale, modifica il "meccanismo di reazione" della reazione a cui partercipa tramite un percorso reattivo alternativo al quale compete una minore energia di attivazione.

Lo schema più semplice di intervento di un catalizzatore C nella reazione fra due composti A e B è:

A + C → AC

AC + B → AB + C

La reazione netta è sempre A + B → AB , mentre C viene rigenerato alla fine di ogni ciclo e non si consuma. Nel caso in cui un composto presente nell'ambiente di reazione (prodotto, solvente, ecc.) si lega al catalizzatore in modo permanente, si parla di avvelenamento del catalizzatore, che perde così la sua efficacia.

La frequenza di turnover definisce il rendimento di un catalizzatore ed è data dalla formula

dove v è la velocità di reazione e [Q] la concentrazione molare del catalizzatore omogeneo. In caso di catalisi eterogenea, al denominatore compare la massa del catalizzatore o la sua estensione superficiale.

Ci sono sostanze che invece di aumentare la velocità di reazione, la diminuiscono. Questi composti vengono definiti impropriamente catalizzatori negativi mentre il vero appellativo è inibitori.

[modifica] Catalizzatori omogenei ed eterogenei

Diagramma di una reazione catalitica che mostra l'energia richiesta a vari stadi lungo l'asse del tempo (coordinate di reazione). I substrati normalmente necessitano di una notevole quantità di energia (picco rosso) per giungere allo stato di transizione, onde reagire per formare il prodotto. La presenza di un catalizzatore (come un enzima) crea un microambiente nel quale i substrati possono raggiungere lo stato di transizione (picco blu) più facilmente, riducendo così la quantità d'energia richiesta. Essendo più facile arrivare a uno stato energetico minore la reazione può avere luogo più frequentemente e di conseguenza la velocità di reazione sarà maggiore.

Idrogenazione dell'etene su un catalizzatore eterogeneo

Un catalizzatore è detto omogeneo se si trova nella stessa fase dei reagenti: un esempio è la molecola cloro-tris(trifenilfosfina)-rodio(I) [RhCl(PPh₃)₃] (catalizzatore di Wilkinson), usata per l'idrogenazione in soluzione degli alcheni. Il vantaggio dei catalizzatori omogenei sta in un miglior contatto con i reagenti; questo è al tempo stesso uno svantaggio, perché è difficile separare e recuperare il catalizzatore alla fine della reazione.

Un catalizzatore è detto eterogeneo se si trova in una fase diversa rispetto ai reagenti. In tal caso è formato di un supporto inerte, del catalizzatore vero e proprio e spesso di un distanziale, che separa gli elementi del catalizzatore vero e proprio, e di un promotore, che può considerarsi un catalizzatore della catalisi. Un semplice modello per i catalizzatori eterogenei prevede l'adsorbimento chimico dei reagenti sulla superficie del solido, e l'indebolimento dei legami interni alle molecole dei reagenti in modo da rendere più facile la formazione di nuovi legami. Il prodotto della reazione ha una minore affinità col catalizzatore e viene rilasciato (desorbimento). Un esempio classico è il ferro usato nel processo Haber per fare reagire azoto e idrogeno e produrre ammoniaca: il triplo legame che tiene saldamente uniti i due atomi di azoto è indebolito dall'adsorbimento sulla superficie del catalizzatore, rendendo più reattivo il gas e aumentando la velocità della reazione.

[modifica] Catalizzatori di interesse industriale

Dal punto di vista pratico, l'uso principale dei catalizzatori nell'industria chimica consente condizioni di reazione meno drastiche per fare procedere velocemente reazioni di sintesi. Si stima che almeno il 60% di tutte le sostanze commercializzate oggi richiedano l'uso di catalizzatori in qualche stadio della loro sintesi.

Dal punto di vista chimico, i catalizzatori eterogenei possono essere raggruppati come segue:

• metalli: ferro, platino, argento, rutenio, rodio (idrogenazione e deidrogenazione)
• ossidi isolanti: ossido di alluminio, silice, ossido di magnesio (disidratazione)
• ossidi semiconduttori: ossido di zinco, ossido di nichel (ossidazione)
• acidi: ossido di alluminio su silice, zeoliti (polimerizzazione, cracking, alchilazione)

Alcuni fra i più importanti catalizzatori eterogenei usati nell'industria chimica sono:

• platino con 10% rodio (processo Ostwald, produzione di acido nitrico)
• tetracloruro di titanio e un composto organometallico di alluminio (processo Ziegler-Natta, polimerizzazione di vari polimeri)
• ossido di cromo (processo Phillips, polimerizzazione del polietilene)
• la zeolite ZSM-5 (conversione di idrocarburi,decomposizione NOx)
• i silicoalluminofosfati SAPO (conversione di idrocarburi)
• pentossido di vanadio (produzione di anidride ftalica)

Alcuni esempi di catalizzatori omogenei d'interesse industriale:

• nichel(IV) acetilacetonato (sintesi del benzene)
• dicarbonildiiodo-iridio(III) (processo Cativa, sintesi dell'acido acetico)
• ottacarbonilcobalto(II) (idroformilazione, sintesi di aldeidi)
• cloruro di alluminio(III) (reazione di Friedel-Crafts, sintesi dell'etilbenzene)

[modifica] Biocatalizzatori

Come biocatalizzatori si intendono gli enzimi usati come catalizzatori (e si parla di catalizzatore enzimatico e di cinetica enzimatica nota come cinetica di Michaelis-Menten) o usando cellule, vive o morte, come tali o estraendo gli enzimi dalle cellule morte ed usando solo essi. Anche nel caso dei biocatalizzatori si può usare un promotore di catalisi che si chiama cofattore di tipo effettore, dei substrati di supporto e si hanno le varie tecniche di immobilizzazione delle cellule o i catalizzatori possono essere avvelenati da un cofattore di tipo inibitore enzimatico. Gli enzimi possono catalizzare molti tipi di reazioni chimiche, e ciascun tipo di enzima è specifico per un tipo di reazione. Le reazioni avvengono con grande velocità proprio grazie alla specificità degli enzimi. La parte della molecola reagente con cui questi catalizzatori enzimatici hanno specificità è chiamata substrato. Si forma quindi un complesso enzima-substrato, la cui formazione è dovuta a interazioni deboli di tipo elettrostatico o legami covalenti. Non tutto l'enzima è interessato alla formazione del complesso enzima-substrato, ma solo una parte detta sito attivo. A seconda delle condizioni di flessibilità tra enzima e substrato si avranno diversi gradi di specificità: assoluta, di gruppo, di legame, stereochimica.

[modifica] Catalisi ambientale

I catalizzatori usati nelle marmitte delle automobili sono formati da metalli nobili (generalmente platino e rodio) dispersi su un supporto ceramico, formato da ossido di cerio e ossido di zirconio. Promuovono la contemporanea ossidazione del carburante incombusto e del monossido di carbonio ad anidride carbonica e acqua, e la riduzione degli ossidi di azoto ad azoto e acqua. Data la contemporanea attività su tre reazioni, sono detti catalizzatori a tre vie (TWC).