La velocità delle reazioni chimiche dipende da una serie di fattori, tra cui la temperatura o la concentrazione dei reagenti. A quanto pare, una piccola aggiunta di una sostanza estranea può influenzare la cinetica della reazione e quindi accelerarla notevolmente. Questo problema è oggetto di catalisi. Ora è di grande importanza, soprattutto nell'industria chimica. Molti processi tecnologici su larga scala sarebbero impossibili senza catalizzatori. Inoltre, gli enzimi, che catalizzano i processi biochimici, svolgono un ruolo chiave nei processi vitali sulla Terra.
Catalisi: cos’è e come viene classificata?
La catalisi è definita come un fenomeno che aumenta la velocità di una reazione chimica utilizzando una sostanza che non è né un substrato né un prodotto di tale trasformazione. Tale sostanza è chiamata catalizzatore. I tipi base di catalisi sono i seguenti:
- Catalisi omogenea – in questo tipo di catalisi sia i substrati che il catalizzatore si trovano nello stesso stato fisico. Molto spesso si tratta di una fase liquida o gassosa. In questo caso il catalizzatore reagisce con uno dei substrati formando un complesso intermedio instabile, che a sua volta reagisce con l’altro reagente. Di conseguenza, si formano prodotti di reazione e il catalizzatore viene recuperato. Va notato che non tutte le reazioni procedono in questo modo. In effetti, i processi a più fasi sono il tipo più comune. Un esempio di reazione omogenea (o monofase) è l’ossidazione dell’ossido di zolfo (IV) in ossido di zolfo (VI). Tutti i componenti, ovvero substrati, catalizzatore e prodotti, sono presenti nella fase gassosa.
- Catalisi eterogenea – questo è il tipo di catalisi più comunemente utilizzato, ad esempio nei processi dell’industria chimica . Qui, il catalizzatore si trova in uno stato fisico della materia diverso rispetto agli altri reagenti. Di solito è un contatto solido o cosiddetto. I substrati vengono adsorbiti sulla sua superficie. Quindi, il catalizzatore reagisce con loro. I prodotti risultanti si desorbono e lasciano la superficie di contatto, lasciando spazio ai substrati successivi. L’utilizzo di questo tipo di catalisi permette di effettuare, ad esempio, reazioni tra sostanze gassose che normalmente non reagiscono tra loro. Dato che la catalisi eterogenea è molto importante da un punto di vista industriale, uno dei principali problemi della catalisi è lo sviluppo di catalizzatori costituiti da materiali diversi e aventi forme che forniscano la maggiore superficie di contatto possibile.
- Catalisi enzimatica – gli enzimi sono, oltre ai fermenti, un gruppo di proteine coinvolte nella biocatalisi delle reazioni di biosintesi e di decomposizione. Questi processi hanno luogo nelle cellule degli organismi viventi e nei fluidi corporei. Gli enzimi, proprio come i catalizzatori “classici”, abbassano l’energia di attivazione di una reazione biologica. Sulla loro superficie presentano i cosiddetti centri attivi. Per la loro forma e struttura, questi centri sono compatibili solo con substrati specifici. Pertanto, la selettività degli enzimi come catalizzatori è del 100%. Inoltre, tale catalisi viene definita modello chiave e serratura. Dopo la formazione del complesso enzima-substrato, alcuni legami si allentano e si formano i prodotti. L’enzima viene quindi rilasciato e ritorna alla sua forma originale.
L’autocatalisi è un fenomeno interessante. Si verifica quando il prodotto risultante di una reazione diventa il suo catalizzatore. Quindi, con il tempo, la reazione procede sempre più velocemente. Un esempio di processo autocatalitico è la reazione di KMnO 4 con perossido di idrogeno in ambiente acido. Gli ioni che si formano (cioè Mn 2+ ) agiscono da catalizzatore per la reazione originaria.
Catalizzatori
I catalizzatori sono sostanze chimiche che, una volta introdotte in un sistema di reazione, accelerano la reazione chimica. Ciò che è importante è che non subiscono trasformazioni chimiche durante la reazione e vengono recuperati nella loro forma originale una volta completata la reazione. Il catalizzatore aggiunto al sistema di reazione forma un legame transitorio instabile con il substrato. Ciò consente di abbassare l’energia di attivazione. Ciò che è importante è che il catalizzatore non è incluso nell’equazione stechiometrica del processo complessivo. Inoltre, anche con un catalizzatore, non è possibile avviare una reazione che non sia termodinamicamente fattibile. Affinché una data reazione chimica avvenga in determinate condizioni, è necessario fornire energia maggiore dell’energia di attivazione richiesta. In questo caso, il ruolo del catalizzatore è quello di ridurre la quantità di energia richiesta, in modo che la reazione possa iniziare più rapidamente. Vale la pena ricordare che il catalizzatore non influenza lo spostamento dello stato di equilibrio. Accelera semplicemente il momento del suo raggiungimento. Quanto più velocemente lo fa, tanto più attivo è considerato. Pertanto, l’attività del catalizzatore è definita come la differenza nella velocità con cui la reazione raggiunge l’equilibrio in presenza e in assenza del catalizzatore. Un altro criterio che caratterizza i catalizzatori è la loro selettività. È definito come il rapporto tra la quantità di prodotto formato e la quantità totale di tutti i prodotti formati durante la reazione. Le sostanze utilizzate come catalizzatori nei processi industriali raggiungono solitamente una selettività compresa tra il 70%e il 90%. Sotto questo aspetto gli enzimi sono unici. Il livello di selettività che raggiungono nelle reazioni biochimiche arriva fino al 100%. 
L’importanza della catalisi nei processi industriali
Attualmente la catalisi gioca un ruolo chiave in molti processi, soprattutto nell’industria chimica. I catalizzatori contribuiscono a una produzione più efficiente di sostanze chimiche, che a loro volta vengono utilizzate, ad esempio, nella produzione di fertilizzanti. Di seguito vengono presentati tre esempi di processi dell’industria chimica che si basano sulla catalisi. Questi catalizzatori sono tra i più comunemente utilizzati. Tuttavia, va ricordato che soluzioni nuove o modificate vengono costantemente introdotte sul mercato e riescono gradualmente a sostituire le sostanze precedentemente utilizzate.
Produzione di acido nitrico (V).
La produzione di acido nitrico (V) consiste in diverse fasi successive. Il primo è la combustione dell’ammoniaca in ossigeno in ossido nitrico (II) e acqua. Per aumentare l’efficienza del processo, viene effettuato utilizzando un catalizzatore, che è una lega di platino e rodio (93%Pt e 7%Rh). Questa lega viene utilizzata per produrre fili da cui vengono tessute reti speciali. Nel reattore vengono poste due o tre maglie, perpendicolarmente al flusso dei gas reagenti. Tuttavia, questo metodo presenta alcune limitazioni. I gas in movimento provocano attrito contro le maglie, con conseguente degrado delle stesse e perdita di platino. Queste perdite sono particolarmente evidenti nella sezione di ossidazione, dove si verificano aumento di pressione e temperatura elevata. Inoltre, le reti in platino sono relativamente sensibili all’avvelenamento causato da un’insufficiente purificazione dei gas reagenti da sostanze interferenti, ad es. zolfo. Durante l’ossidazione catalitica dell’ammoniaca, come sottoprodotto si forma il protossido di azoto. Attualmente sul mercato sono disponibili soluzioni che riducono le emissioni. A questo scopo, in prossimità delle maglie della lega Pt-Rh viene utilizzato un catalizzatore di ossido a base di alluminati per la decomposizione ad alta temperatura del protossido di azoto nei gas nitrosi. Una caratteristica di questo catalizzatore è la sua elevata selettività di decomposizione rispetto a N 2 O.
Ossidazione di SO 2 in SO 3
Uno dei passaggi più importanti nella produzione industriale dell’acido solforico (VI) è l’ossidazione dell’ossido di zolfo (IV) in ossido di zolfo (VI). Questo processo viene eseguito utilizzando il metodo di contatto. Molte sostanze possono fungere da catalizzatore in questa reazione di ossidazione. Accelerano le reazioni a vari livelli. È stato dimostrato sperimentalmente che la massima efficienza si ottiene utilizzando catalizzatori al vanadio. Sono costituiti da ossido di vanadio (V), che viene depositato su un supporto (solitamente silice). Inoltre, contiene anche attivatori (ossido di sodio o ossido di potassio) e altri additivi che influenzano, tra le altre cose, la sua resistenza alle alte temperature. La quantità di ossido di vanadio (V) nel catalizzatore varia dal 5 al 7%in peso. Raggiunge la massima efficienza a temperature relativamente elevate. Sulla sua superficie, il catalizzatore al vanadio ha siti attivi dove vengono adsorbite le molecole di O 2 e SO 2 . Lì hanno luogo le loro reazioni, seguite dal desorbimento dei prodotti risultanti. Una purezza insufficiente dei substrati immessi nel reattore può provocare un avvelenamento del catalizzatore, cioè la disattivazione dei suoi siti attivi. In questo caso i veleni includono cloro, fluoro e arsenico.
Produzione di ammoniaca
Un altro processo catalitico nell’industria chimica è la sintesi dell’ammoniaca . Il processo in sé è così lento che è necessario utilizzare contatti appropriati. In questo caso il catalizzatore più favorevole è il ferro attivato con una piccola quantità di allumina e ossido di potassio. Si forma bruciando il ferro in presenza di ossigeno e quindi sciogliendo il Fe 3 O 4 risultante con Al 2 O 3 e K 2 O. La lega (molto spesso) sotto forma di granuli è un catalizzatore finito. Come in altri processi, durante il processo di sintesi dell’ammoniaca il catalizzatore di ferro provoca l’assorbimento di idrogeno e azoto nei suoi siti attivi e il desorbimento dei prodotti risultanti. I composti responsabili della degradazione del contatto ferroso sono principalmente zolfo, anidride carbonica e vapore acqueo.
