Catalizzatori in chimica. Quali sono? Quali sono i loro tipi?

Quali sostanze possono essere catalizzatori?

I processi chimici e le reazioni catalizzate avvengono in presenza di alcune sostanze specifiche chiamate catalizzatori. Il loro compito principale nei sistemi è ridurre l’energia di attivazione, il che aumenta direttamente la velocità del processo. La scelta di un catalizzatore è una questione chiave da cui dipende, ad esempio, l’efficienza del processo. Come catalizzatori vengono solitamente utilizzati composti chimici specifici o sistemi del tipo core-shell. Caratteristiche di base dei catalizzatori e loro funzioni nei sistemi:

• La presenza di un catalizzatore in una reazione non è inclusa nell’equazione molecolare di una reazione chimica perché non reagisce con i substrati o i prodotti .
• Una volta terminata la reazione, il catalizzatore viene recuperato. Pertanto, la reazione catalitica può essere descritta come ciclica.
• Il catalizzatore dovrebbe essere facilmente separabile dai prodotti ottenuti dalla reazione chimica.
• Il catalizzatore non influenza in alcun modo lo stato di equilibrio della reazione e quindi non ne modifica la termodinamica.
• I catalizzatori devono avere tre caratteristiche fondamentali: elevata attività, elevata selettività e stabilità nel tempo.
• I catalizzatori devono soddisfare una serie di presupposti di base sulla loro costituzione, tra cui la giusta dimensione dei pori, la fase cristallina, la resistenza alla frantumazione, il grado di riduzione, le proprietà di fluidificazione, l’usura, la composizione chimica media, l’area superficiale effettiva, la dimensione dei grani e altri.

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Esempi di catalizzatori

Metalli

I metalli sono ottimi catalizzatori facilmente utilizzabili nell’industria. I metalli di transizione attirano particolare interesse perché possono esistere in due o più stati di ossidazione, ad esempio il ferro nell’ossido di ferro (II) o nell’ossido di ferro (III). Questi metalli hanno orbitali d riempiti in modo incompleto, che consentono loro di donare e accettare facilmente elettroni da altre molecole. Negli ultimi anni, i catalizzatori formati sulla base di nanoparticelle metalliche sono diventati sempre più importanti grazie alle loro proprietà uniche. Platino – Un metallo utilizzato, ad esempio, nei processi di idrogenazione o deidrogenazione di gruppi funzionali nella sintesi organica. La sostanza è chimicamente inerte e stabile in ambienti ossidanti e ha un elevato contenuto di umidità. A temperature superiori a 450 ᵒC sulla sua superficie si forma una pellicola di biossido di platino . Il platino nei composti si presenta in diversi stati di ossidazione, ma solitamente, come catalizzatore, assume i valori II o IV. Oltre al suo utilizzo nella tecnologia chimica, il platino viene utilizzato anche nei convertitori catalitici automobilistici. Ha la capacità di legare gli atomi di ossigeno all’ossido di carbonio (II) tossico presente negli scarichi dei veicoli. Ciò produce anidride carbonica significativamente meno dannosa. Palladio – I catalizzatori di palladio sono coinvolti in una serie di reazioni organiche, come ciclizzazione, idrogenazione, ossidazione, isomerizzazione, reazioni radicaliche e altre. Mostrano un’elevata tolleranza verso diversi gruppi funzionali e sono spesso in grado di fornire un’eccellente stereoselettività, contribuendo a evitare la necessità di specifici gruppi protettivi . Inoltre i catalizzatori al palladio sono particolarmente efficaci, ad esempio, nell’idrogenazione selettiva, consentendo di ottenere i prodotti desiderati in un unico ciclo di reazione. Nichel – Come catalizzatore, il nichel svolge un ruolo chiave in molte trasformazioni organiche, come l’ossidazione, la riduzione, la ciclizzazione, la formazione di legami carbonio-eteroatomo e altre. Si presenta in diversi stati di ossidazione nei composti II, III e IV. Il nichel è un elemento relativamente reattivo, pur mostrando anche un’elevata stabilità chimica. Questo metallo ha un grande vantaggio: è più economico di altri catalizzatori di metalli di transizione, motivo per cui viene spesso utilizzato come alternativa a quelli al palladio, ad esempio nelle reazioni di accoppiamento. Oro – Alcune reazioni catalitiche vengono effettuate in presenza di oro. La sua attività catalitica dipende fortemente dalla dimensione e dalla struttura dei cristalliti. Il loro effetto dipende anche dal metodo di preparazione. I catalizzatori dell’oro sono solitamente conglomerati di questo elemento insieme ad un supporto adatto, che, ad esempio, fornisce ossigeno sufficiente per aumentare ulteriormente l’attività dell’oro. I complessi di questo metallo sono ottimi catalizzatori per le reazioni di formazione di legami carbonio-carbonio, carbonio-azoto o carbonio-ossigeno, poiché possono facilmente attivare doppi e tripli legami, ad esempio nelle catene di carbonio. Esempi di reazioni catalizzate dall’oro includono l’ossidazione dell’ossido di carbonio (II), l’ossidazione di alcoli e aldeidi , reazioni di epossidazione, idrogenazione di aldeidi e altre.

Composti inorganici

Esempi di catalizzatori inorganici sono composti inorganici, in particolare ossidi metallici e non metallici, sali selezionati e acidi. Tipicamente, queste sostanze vengono depositate su supporti speciali, che sono materiali porosi (ad esempio, carbonio, silice o allumina) che supportano le loro proprietà catalitiche (maggiore è l’area superficiale del supporto, maggiore è l’area di contatto tra i reagenti). Un aspetto importante nella scelta di un composto inorganico come catalizzatore è farsi guidare dal numero di centri attivi che ha. La presenza di un elevato numero di centri attivi, ai quali si legano i reagenti coinvolti nella reazione catalizzata, aumenta la resa della reazione. Ossido di vanadio (V) – I catalizzatori con V ₂ O ₅ come componente principale sono efficaci in quasi tutte le reazioni di ossidazione. Svolgono un ruolo importante nell’industria chimica di oggi. Una delle applicazioni più importanti di questi catalizzatori è la produzione di acido solforico. L’ossido di vanadio (V) catalizza la reazione di ossidazione dell’ossido di zolfo (IV) in ossido di zolfo (VI), che viene quindi assorbito nell’acido solforico. In questi processi il catalizzatore al vanadio viene chiamato cosiddetto contatto, poiché si trova in una fase diversa rispetto agli altri reagenti. Nell’industria viene solitamente utilizzato sotto forma di veicolo con una fase attiva applicata sulla sua superficie. I suoi principali vantaggi includono un basso punto di infiammabilità, stabilità durante il processo o un elevato coefficiente di assorbimento della polvere. Oltre alla produzione di acido solforico, l’ossido di vanadio (V) viene utilizzato anche come catalizzatore nella produzione di gomma, nel cracking del petrolio e nella sintesi di alcuni composti ad alto peso molecolare. Cloruro di alluminio – L’uso più comune del cloruro di alluminio come catalizzatore nella sintesi organica è la reazione di alchilazione di Friedel-Crafts. AlCl ₃ si trova in uno stato di aggregazione (fase solida) diverso rispetto agli altri reagenti, quindi in questo caso si tratta di catalisi eterogenea. Le sue proprietà catalitiche si basano principalmente sul fatto che si tratta di un cosiddetto acido di Lewis per quanto riguarda la sua struttura chimica e le sue proprietà. La sua caratteristica principale è la capacità di accettare coppie di elettroni dalle basi di Lewis. Il cloruro di alluminio, come catalizzatore e acido di Lewis, si combina con molecole selezionate o con i loro frammenti, dopo di che si formano complessi di transizione che poi si scompongono in carbocationi. Acido solforico – L’acido solforico presenta proprietà catalitiche anche in piccole quantità per reazioni chimiche selezionate. Esempi di tale trasformazione includono la reazione di esterificazione dell’acido acetico con etanolo o la reazione di nitrazione di composti aromatici. L’acido agisce quindi come un catalizzatore omogeneo e si trova quindi nel sistema, nella stessa fase degli altri reagenti. Essendo un acido molto forte, quando introdotto nell’ambiente di reazione, rilascia ioni idrogeno che azionano i processi. Inoltre, un’ulteriore proprietà dell’acido solforico è la sua igroscopicità. Le molecole d’acqua formate nel processo di esterificazione sono legate dall’acido e questo sposta l’equilibrio per cui si formano più prodotti. Ricordiamo però che ciò non deriva dalla catalizzazione della reazione, ma è dovuto solo allo spostamento dello stato di equilibrio.

Biocatalizzatori

I biocatalizzatori sono composti chimici che catalizzano le reazioni che si verificano e si verificano all’interno del corpo umano. Sono elementi cruciali in tutte le trasformazioni biochimiche. Non solo accelerano tali trasformazioni, ma mostrano anche una certa selettività nel catalizzare reazioni selezionate. Il gruppo di biocatalizzatori di gran lunga più numeroso è costituito dagli enzimi, compresi i catalizzatori non proteici, vale a dire i ribozimi. La loro caratteristica specifica è la capacità di autocatalisi. Enzimi – Questi sono catalizzatori altamente selettivi che aumentano significativamente sia la velocità che la selettività delle reazioni metaboliche. Sono coinvolti in tutte le reazioni chimiche dell’organismo. Come catalizzatori organici (o altrimenti biocatalizzatori), gli enzimi sono prodotti dalle cellule. Queste possono essere proteine ​​semplici così come proteine ​​complesse. Sono caratterizzati dalla presenza di due gruppi: il gruppo protesico e l’aofermento. Gli enzimi catalizzano le reazioni di ossidazione e riduzione di composti organici complessi, il trasferimento di gruppi funzionali, l’idrolisi di legami di vario tipo, la distruzione di legami chimici, il cambiamento di isomerizzazione di molecole o la formazione di nuovi legami covalenti. Il loro ruolo nel corpo umano non può essere sopravvalutato. Partecipano praticamente a tutti i processi vitali, sia anabolici che catabolici. Catalizzando reazioni selezionate, influenzano in modo significativo la direzione delle vie metaboliche nel corpo.