A taxa das reações químicas depende de vários fatores, incluindo a temperatura ou a concentração dos reagentes. Acontece que uma pequena adição de uma substância estranha pode afetar a cinética da reação e, assim, acelerá-la consideravelmente. Esta questão é objeto de catálise. É agora de grande importância, especialmente na indústria química. Muitos processos tecnológicos em grande escala seriam impossíveis sem catalisadores. Além disso, as enzimas, que catalisam os processos bioquímicos, desempenham um papel fundamental nos processos vitais na Terra.
Catálise – o que é e como é classificada?
A catálise é definida como um fenômeno de aumento da taxa de uma reação química usando uma substância que não é substrato nem produto dessa transformação. Essa substância é chamada de catalisador. Os tipos básicos de catálise são os seguintes:
- Catálise homogênea – neste tipo de catálise tanto os substratos quanto o catalisador estão no mesmo estado físico. Na maioria das vezes, é uma fase líquida ou gasosa. Neste caso, o catalisador reage com um dos substratos, formando um complexo intermediário instável, que por sua vez reage com o outro reagente. Como resultado, formam-se produtos de reação e o catalisador é recuperado. Deve-se notar que nem todas as reações ocorrem desta forma. Na verdade, os processos de vários estágios são o tipo mais comum. Um exemplo de reação homogênea (ou monofásica) é a oxidação do óxido de enxofre (IV) em óxido de enxofre (VI). Todos os componentes, ou seja, substratos, o catalisador e os produtos, estão presentes na fase gasosa.
- Catálise heterogênea – este é o tipo de catálise mais comumente utilizado, por exemplo, em processos da indústria química . Aqui, o catalisador está em um estado físico da matéria diferente dos outros reagentes. Geralmente é um sólido, ou o chamado ‘contato’. Os substratos são adsorvidos em sua superfície. Então, o catalisador reage com eles. Os produtos resultantes são dessorvidos e saem da superfície de contato, abrindo espaço para os próximos substratos. A utilização deste tipo de catálise permite realizar, por exemplo, reações entre substâncias gasosas que normalmente não reagem entre si. Dado que a catálise heterogênea é muito importante do ponto de vista industrial, uma das principais questões da catálise é o desenvolvimento de catalisadores feitos de diferentes materiais e com formatos que proporcionem a maior superfície de contato possível.
- Catálise enzimática – as enzimas são, além dos fermentos, um grupo de proteínas que estão envolvidas na biocatálise das reações de biossíntese e decomposição. Esses processos ocorrem nas células dos organismos vivos e nos fluidos corporais. As enzimas, tal como os catalisadores “clássicos”, diminuem a energia de activação de uma reacção biológica. Na sua superfície, possuem os chamados centros ativos. Devido à sua forma e estrutura, estes centros são compatíveis apenas com substratos específicos. Portanto, a seletividade das enzimas como catalisadores é de 100%. Além disso, tal catálise é referida como modelo de chave e fechadura. Após a formação do complexo enzima-substrato, algumas ligações são afrouxadas e os produtos são formados. A enzima é então liberada e retorna à sua forma original.
A autocatálise é um fenômeno interessante. Ocorre quando o produto resultante de uma reação se torna seu catalisador. Conseqüentemente, com o tempo, a reação ocorre cada vez mais rápido. Um exemplo de processo autocatalítico é a reação do KMnO 4 com peróxido de hidrogênio em ambiente ácido. Os íons formados (ou seja, Mn 2+ ) atuam como catalisadores para a reação original.
Catalisadores
Catalisadores são substâncias químicas que, quando introduzidas em um sistema de reação, aceleram a reação química. O que é importante é que eles não sofrem transformações químicas durante a reação e são recuperados em sua forma original quando a reação é concluída. O catalisador adicionado ao sistema de reação forma uma ligação transitória instável com o substrato. Isso permite que a energia de ativação seja reduzida. O que é importante é que o catalisador não está incluído na equação estequiométrica do processo global. Além disso, mesmo com um catalisador, não é possível iniciar uma reação que não seja termodinamicamente viável. Para que uma determinada reação química ocorra sob certas condições, é necessário fornecer energia superior à energia de ativação necessária. Neste caso, o papel do catalisador é reduzir a quantidade de energia necessária, para que a reação possa iniciar mais rapidamente. Vale lembrar que o catalisador não afeta a mudança do estado de equilíbrio. Apenas acelera o momento da sua realização. Quanto mais rápido fizer isso, mais ativo será considerado. Assim, a atividade do catalisador é definida como a diferença na taxa na qual a reação atinge o equilíbrio na presença e na ausência do catalisador. Outro critério que caracteriza os catalisadores é a sua seletividade. É definido como a razão entre a quantidade de produto formado e a quantidade total de todos os produtos formados durante a reação. Substâncias utilizadas como catalisadores em processos industriais costumam atingir seletividade de 70%a 90%. Nesse aspecto, as enzimas são únicas. O nível de seletividade que alcançam nas reações bioquímicas chega a 100%. 
A importância da catálise nos processos industriais
Atualmente, a catálise desempenha um papel fundamental em muitos processos, especialmente na indústria química. Os catalisadores contribuem para uma produção mais eficiente de produtos químicos, que por sua vez são utilizados, por exemplo, na produção de fertilizantes. Três exemplos de processos da indústria química que dependem de catálise são apresentados abaixo. Esses catalisadores estão entre os mais comumente usados. No entanto, importa recordar que soluções novas ou modificadas são constantemente introduzidas no mercado e conseguem substituir gradualmente substâncias anteriormente utilizadas.
Produção de ácido nítrico (V)
A produção de ácido nítrico (V) consiste em várias etapas sucessivas. Primeiro, é a combustão de amônia em oxigênio em óxido nítrico (II) e água. Para aumentar a eficiência do processo, ele é realizado por meio de um catalisador, que é uma liga de platina e ródio (93%Pt e 7%Rh). Esta liga é usada para produzir fios a partir dos quais são tecidas malhas especiais. Duas ou três malhas são colocadas no reator, perpendicularmente ao fluxo dos gases reagentes. No entanto, este método tem algumas limitações. Os gases em movimento causam atrito contra as malhas, resultando na sua degradação e perda de platina. Estas perdas são particularmente perceptíveis na secção de oxidação, onde há aumento de pressão e alta temperatura. Além disso, as malhas de platina são relativamente sensíveis ao envenenamento causado pela purificação insuficiente dos gases reagentes das substâncias interferentes, por exemplo, o enxofre. Durante a oxidação catalítica da amônia, o óxido nitroso é formado como subproduto. Atualmente, as soluções que reduzem suas emissões estão disponíveis no mercado. Para tanto, um catalisador de óxido à base de aluminatos é utilizado próximo às malhas da liga Pt-Rh para decomposição em alta temperatura do óxido nitroso em gases nitrosos. Uma característica deste catalisador é sua alta seletividade de decomposição em relação ao N 2 O.
Oxidação de SO 2 em SO 3
Uma das etapas mais importantes na produção industrial de ácido sulfúrico (VI) é a oxidação do óxido de enxofre (IV) em óxido de enxofre (VI). Este processo é realizado usando o método de contato. Muitas substâncias podem atuar como catalisadores nesta reação de oxidação. Eles aceleram as reações em vários graus. Foi comprovado experimentalmente que a maior eficiência é alcançada com catalisadores de vanádio. Eles consistem em óxido de vanádio (V), que é depositado sobre um suporte (geralmente sílica). Além disso, também contém ativadores (óxido de sódio ou óxido de potássio) e outros aditivos que afetam, entre outras coisas, a sua resistência a altas temperaturas. A quantidade de óxido de vanádio (V) no catalisador varia de 5 a 7%em peso. Atinge sua maior eficiência em temperaturas relativamente altas. Em sua superfície, o catalisador de vanádio possui sítios ativos onde as moléculas de O 2 e SO 2 são adsorvidas. Lá ocorrem suas reações, seguidas da dessorção dos produtos resultantes. A pureza insuficiente dos substratos alimentados no reator pode resultar no envenenamento do catalisador, ou seja, na desativação dos seus sítios ativos. Neste caso, os venenos incluem cloro, flúor e arsênico.
Produção de amônia
Outro processo catalítico na indústria química é a síntese de amônia . O processo em si é tão lento que é necessário utilizar contatos apropriados. Neste caso, o catalisador mais favorável é o ferro ativado com uma pequena quantidade de alumina e óxido de potássio. É formado pela queima do ferro na presença de oxigênio e depois pela fusão do Fe 3 O 4 resultante com Al 2 O 3 e K 2 O. A liga (na maioria das vezes) na forma de grânulos é um catalisador acabado. Como em outros processos, durante o processo de síntese de amônia o catalisador de ferro provoca a absorção de hidrogênio e nitrogênio em seus sítios ativos e a dessorção dos produtos resultantes. Os compostos responsáveis pela degradação do contacto com o ferro são principalmente o enxofre, o dióxido de carbono e o vapor de água.
