Catalisadores em química. O que eles são? Quais são seus tipos?

Quais substâncias podem ser catalisadores?

Os processos e reações químicas catalisadas ocorrem na presença de certas substâncias específicas chamadas catalisadores. Sua principal tarefa nos sistemas é reduzir a energia de ativação, o que aumenta diretamente a velocidade do processo. A escolha de um catalisador é uma questão fundamental da qual depende, por exemplo, a eficiência do processo. Compostos químicos específicos ou sistemas do tipo core-shell são normalmente usados ​​como catalisadores. Características básicas dos catalisadores e suas funções nos sistemas:

• A presença de um catalisador numa reação não está incluída na equação molecular de uma reação química porque não reage com os substratos ou produtos .
• Terminada a reação, o catalisador é recuperado. Assim, a reação catalítica pode ser descrita como cíclica.
• O catalisador deve ser facilmente separável dos produtos obtidos da reação química.
• O catalisador não afeta de forma alguma o estado de equilíbrio da reação e, portanto, não altera sua termodinâmica.
• Os catalisadores devem ter três características básicas: alta atividade, alta seletividade e estabilidade ao longo do tempo.
• Os catalisadores devem atender a uma série de suposições básicas sobre sua constituição, incluindo o tamanho correto dos poros, fase cristalina, resistência ao esmagamento, grau de redução, propriedades de fluidização, desgaste, composição química média, área superficial efetiva, tamanho de grão e outros.

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Exemplos de catalisadores

Metais

Os metais são catalisadores muito bons, facilmente utilizados na indústria. Os metais de transição atraem particular interesse porque podem existir em dois ou mais estados de oxidação, por exemplo, ferro em óxido de ferro(II) ou óxido de ferro(III). Esses metais têm orbitais d incompletamente preenchidos, o que lhes permite doar e aceitar facilmente elétrons de outras moléculas. Nos últimos anos, os catalisadores formados com base em nanopartículas metálicas tornaram-se cada vez mais importantes devido às suas propriedades únicas. Platina – Um metal utilizado, por exemplo, em processos de hidrogenação ou desidrogenação de grupos funcionais em síntese orgânica. A substância é quimicamente inerte e estável em ambientes oxidantes e possui um elevado teor de humidade. Em temperaturas acima de 450 ᵒC, forma-se em sua superfície uma película de dióxido de platina . A platina em compostos ocorre em vários estados de oxidação, mas normalmente, como catalisador, assume os valores de II ou IV. Além de seu uso em tecnologia química, a platina também é utilizada em conversores catalíticos automotivos. Tem a capacidade de ligar átomos de oxigênio ao óxido de carbono (II) tóxico no escapamento dos veículos. Isso produz dióxido de carbono significativamente menos prejudicial. Paládio – Os catalisadores de paládio estão envolvidos numa série de reações orgânicas, tais como ciclização, hidrogenação, oxidação, isomerização, reações radicais e outras. Eles apresentam alta tolerância a diferentes grupos funcionais e muitas vezes são capazes de fornecer excelente estereosseletividade, ajudando a evitar a necessidade de grupos protetores específicos . Além disso, os catalisadores de paládio são particularmente eficazes, por exemplo, na hidrogenação selectiva, tornando possível obter os produtos desejados num único ciclo de reacção. Níquel – Como catalisador, o níquel desempenha um papel fundamental em muitas transformações orgânicas, como oxidação, redução, ciclização, formação de ligações carbono-heteroátomo e outras. Ocorre em vários estados de oxidação nos compostos II, III e IV. O níquel é um elemento relativamente reativo, ao mesmo tempo que apresenta alta estabilidade química. Este metal tem uma grande vantagem – é mais barato que outros catalisadores de metais de transição, razão pela qual é frequentemente utilizado como alternativa aos de paládio, por exemplo, em reações de acoplamento. Ouro – Algumas reações catalíticas são realizadas na presença de ouro. A sua atividade catalítica é fortemente dependente do tamanho e estrutura dos cristalitos. O seu efeito também depende do método de preparação. Os catalisadores de ouro são geralmente conglomerados deste elemento juntamente com um transportador adequado, que, por exemplo, fornece oxigênio suficiente para aumentar ainda mais a atividade do ouro. Complexos deste metal são catalisadores muito bons para reações de formação de ligações carbono-carbono, carbono-nitrogênio ou carbono-oxigênio, pois podem facilmente ativar ligações duplas e triplas, por exemplo, em cadeias de carbono. Exemplos de reações catalisadas pelo ouro incluem a oxidação do óxido de carbono (II), a oxidação de álcoois e aldeídos , reações de epoxidação, hidrogenação de aldeídos e outras.

Compostos inorgânicos

Compostos inorgânicos, em particular óxidos metálicos e não metálicos, sais selecionados e ácidos são exemplos de catalisadores inorgânicos. Normalmente, estas substâncias são depositadas em transportadores especiais, que são materiais porosos (por exemplo, carbono, sílica ou alumina) que suportam as suas propriedades catalíticas (quanto maior for a área superficial do transportador, maior será a área de contacto entre os reagentes). Um aspecto importante na seleção de um composto inorgânico como catalisador é guiar-se pelo número de centros ativos que ele possui. A presença de um grande número de centros activos, aos quais se ligam os reagentes envolvidos na reacção catalisada, aumenta o rendimento da reacção. Óxido de vanádio (V) – Catalisadores com V ₂ O ₅ como principal componente são eficazes em quase todas as reações de oxidação. Eles desempenham um papel importante na indústria química atual. Uma das aplicações mais importantes destes catalisadores é a produção de ácido sulfúrico. O óxido de vanádio (V) catalisa a reação de oxidação do óxido de enxofre (IV) em óxido de enxofre (VI), que é então absorvido em ácido sulfúrico. Nestes processos, o catalisador de vanádio é denominado de contato, por estar em fase diferente dos demais reagentes. Na indústria, geralmente é utilizado na forma de um transportador com uma fase ativa aplicada em sua superfície. Suas principais vantagens incluem baixo ponto de fulgor, estabilidade durante o processo ou alto coeficiente de absorção de poeira. Além da produção de ácido sulfúrico, o óxido de vanádio (V) também é usado como catalisador na produção de borracha, no craqueamento de petróleo e na síntese de alguns compostos de alto peso molecular. Cloreto de alumínio – O uso mais comum do cloreto de alumínio como catalisador em síntese orgânica é a reação de alquilação de Friedel-Crafts. AlCl ₃ está em um estado de agregação (fase sólida) diferente dos outros reagentes, portanto neste caso é uma catálise heterogênea. As suas propriedades catalíticas baseiam-se principalmente no facto de ser um chamado ácido de Lewis no que diz respeito à sua estrutura química e propriedades. Sua principal característica é a capacidade de aceitar pares de elétrons de bases de Lewis. O cloreto de alumínio, como catalisador e o ácido de Lewis, combina-se com moléculas selecionadas ou seus fragmentos, após o que os complexos de transição são formados e depois se decompõem em carbocátions. Ácido sulfúrico – O ácido sulfúrico exibe propriedades catalíticas mesmo em pequenas quantidades para reações químicas selecionadas. Exemplos de tal transformação incluem a reação de esterificação do ácido acético com etanol ou a reação de nitração de compostos aromáticos. O ácido atua então como um catalisador homogêneo e, portanto, está no sistema, na mesma fase que os demais reagentes. Por ser um ácido muito forte, ao ser introduzido no ambiente reacional, libera íons hidrogênio que impulsionam os processos. Além disso, uma propriedade adicional do ácido sulfúrico é a sua higroscopicidade. As moléculas de água formadas no processo de esterificação são ligadas pelo ácido e isso altera o equilíbrio, formando mais produtos. Lembre-se, entretanto, que isso não resulta da catalisação da reação, mas apenas da mudança no estado de equilíbrio.

Biocatalisadores

Biocatalisadores são compostos químicos que catalisam reações que ocorrem e surgem no corpo humano. São elementos cruciais em todas as transformações bioquímicas. Eles não apenas aceleram tais transformações, mas também exibem uma certa seletividade na catalisação de reações selecionadas. De longe, o maior grupo de biocatalisadores são enzimas, incluindo catalisadores não proteicos, nomeadamente ribozimas. Sua qualidade específica é a capacidade de autocatálise. Enzimas – São catalisadores altamente seletivos que aumentam significativamente a velocidade e a seletividade das reações metabólicas. Eles estão envolvidos em todas as reações químicas do organismo. Como catalisadores orgânicos (ou biocatalisadores), as enzimas são produzidas pelas células. Estas podem ser proteínas simples, bem como proteínas complexas. São caracterizados pela presença de dois grupos: o grupo protético e o aofermento. As enzimas catalisam as reações de oxidação e redução de compostos orgânicos complexos, a transferência de grupos funcionais, a hidrólise de ligações de vários tipos, a destruição de ligações químicas, a alteração da isomerização de moléculas ou a formação de novas ligações covalentes. Seu papel no corpo humano não pode ser superestimado. Eles participam de praticamente todos os processos vitais, tanto anabólicos quanto catabólicos. Ao catalisar reações selecionadas, influenciam significativamente a direção das vias metabólicas no corpo.