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Definição de Catalisador

Um catalisador é uma substância que acelera uma reação química, mas não é consumida pela reação; portanto, um catalisador pode ser recuperado quimicamente inalterado no final da reação que foi usado para acelerar ou catalisar.

Discussão
Para que os produtos químicos reajam, as suas ligações devem ser reorganizadas, porque as ligações nos produtos são diferentes daquelas nos reagentes. A etapa mais lenta no rearranjo da ligação produz o que é chamado de estado de transição – uma espécie química que não é nem reagente nem produto, mas é um intermediário entre os dois.
Reagente ⇄ Estado de Transição ⇄ Produto
A energia é necessária para formar o estado de transição. Essa energia é chamada de energia de ativação ou Ea. A leitura do diagrama abaixo da esquerda para a direita mostra o progresso de uma reação à medida que os reagentes passam pelo estado de transição para se tornarem produtos.

Vencendo a barreira
A energia de ativação pode ser considerada uma barreira para uma reação química, um obstáculo que deve ser superado. Se a barreira for alta, poucas moléculas terão energia cinética suficiente para colidir, formar um estado de transição e cruzar a barreira. Reagentes com energia inferior a Ea não podem passar pelo estado de transição para reagir e se tornarem produtos.
Um catalisador funciona fornecendo uma rota diferente, com menor Ea, para a reação. Os catalisadores reduzem a barreira energética. A rota diferente permite que os rearranjos de ligações necessários para converter reagentes em produtos ocorram mais facilmente, com menor consumo de energia. Em qualquer intervalo de tempo, a presença de um catalisador permite que uma proporção maior de espécies reagentes absorva energia suficiente para passar pelo estado de transição e se tornar produtos.

Exemplo 1: O Processo Haber
O processo Haber, usado para produzir amônia a partir de hidrogênio e nitrogênio, é catalisado pelo ferro, que fornece locais atômicos nos quais as ligações dos reagentes podem se reorganizar mais facilmente para formar o estado de transição.
N2 (gás) + 3H2 (gás) ⇌ 2NH3 (gás)

Exemplo 2: Enzimas
Em nossos corpos e em outros seres vivos, as enzimas são usadas para acelerar as reações bioquímicas. Uma enzima é um tipo de catalisador. A vida complexa seria impossível sem enzimas que permitissem que as reações ocorressem em velocidades adequadas. As formas das enzimas, juntamente com as localizações na enzima que se ligam aos reagentes, fornecem uma via de reação alternativa, permitindo que moléculas específicas se unam para formar um estado de transição com uma barreira de energia de ativação reduzida.

Determinação da estrutura e propriedades dos catalisadores

A natureza dos centros activos no material catalítico é ainda demonstrada pelo aumento da actividade catalítica de materiais relativamente inactivos quando são submetidos a radiação intensa. A sílica gel bombardeada por raios gama do cobalto-60 torna-se de cor arroxeada e torna-se capaz de induzir a reação H2 + D2→ 2HD em temperaturas de nitrogênio líquido. Os centros de cor, que são "buracos" positivos (deficiências) presos na vizinhança de um íon de oxigênio próximo a uma impureza de alumínio, são branqueados no vácuo acima de 200 graus (400 graus F) e são destruídos pelo hidrogênio mesmo à temperatura ambiente.

As propriedades das concentrações diluídas de metais de platina em matrizes de óxido, como sílica e alumina, bem como em transportadores de carbono, foram estudadas por cientistas russos e americanos. Tais catalisadores têm importância técnica em processos de reforma de gasolina. Em tais catalisadores - contendo cerca de 0,5 por cento em peso de platina ou paládio - o grau de dispersão do metal (isto é, a razão entre o número de átomos de metal na superfície e o número total presente) é próximo de um. Por outro lado, na folha de platina a dispersão é de apenas cerca de 4 × 10−3. Os procedimentos de titulação e adsorção com hidrogênio e oxigênio são empregados para avaliar essas dispersões.

A partir desses estudos fica claro que existem dois tipos de comportamento resultantes da dispersão. Para numerosos processos catalíticos, desde a troca hidrogênio-deutério até a hidrogenação do benzeno e a hidrogenólise do ciclopentano, as reações são independentes da dispersão na região crítica - com tamanho de partícula do catalisador de 5 nm ou menos. Tais processos insensíveis à estrutura foram denominados reações fáceis. Por outro lado, existem reações como a isomerização do neopentano em isopentano e o craqueamento simultâneo deste último em isobutano e metano em catalisadores de platina-alumina, onde a seletividade para isomerização varia por um fator de 100 para os vários catalisadores estudados (quando a proporção hidrogênio-neopentano é 10). Assim, o mesmo catalisador de platina sobre carbono a 1 por cento mostrou uma razão de seletividade de isomerização para hidrogenólise de 2,5 quando o catalisador foi reduzido em hidrogênio a 500 graus (900 graus F) e uma razão de seletividade de 13 quando o catalisador foi queimado em vácuo. a 900 graus (1.600 graus F), a dispersão percentual permanecendo em 35 por cento em ambos os casos. Tais reações catalíticas sensíveis à estrutura foram chamadas de “reações exigentes”. O ganho em seletividade parece ser em grande parte devido a uma redução na taxa de hidrogenólise. Uma vez que outros estudos demonstraram que o aquecimento in vácuo a 900 graus tende a desenvolver certas (111) facetas do metal, pensa-se que o aumento na seletividade se deve a uma triadsorção mais abundante de neopentano nas amostras queimadas a alta temperatura. Foi demonstrado que um cristalito de platina com cerca de 2 nm de tamanho possui superfícies incomuns não presentes em um cristalito octaédrico regular de tamanho semelhante. Vários locais onde uma molécula adsorvida poderia ser cercada por cinco vizinhos mais próximos de platina foram encontrados no cristalito com superfície incomum.
Uma abordagem alternativa para o problema da catálise de superfície envolve a consideração de fatores eletrônicos no catalisador e nos reagentes. Muitos materiais catalíticos são semicondutores. Pensa-se que estes podem formar uma variedade de ligações com os reagentes, dependendo dos elétrons livres da rede e dos buracos na rede do catalisador. As partículas quimissorvidas reagem de maneiras que dependem da forma de fixação à superfície e que variam com a extensão da cobertura da superfície, bem como com o suprimento disponível de elétrons e lacunas. A superfície se comporta como os radicais livres que são introduzidos diretamente nas espécies reagentes, dependendo das propriedades eletroquímicas da superfície e do volume do material semicondutor. Tais considerações levaram à determinação do caráter do catalisador como semicondutor e do adsorbato como espécie eletroquímica, seja ele composto de íons positivos ou negativos ou de átomos livres ou radicais. A atividade catalítica também foi explorada em função do caráter da banda d - isto é, o número de elétrons nos orbitais d nos átomos dos materiais catalisadores.

Desde 1940, várias técnicas instrumentais foram desenvolvidas para explorar a estrutura dos materiais catalíticos e o caráter das espécies adsorvidas, mesmo durante a própria reação. Entre essas técnicas estão microscopia eletrônica, microscopia de emissão de campo, métodos de microssonda eletrônica, medições magnéticas, espectroscopia infravermelha, espectroscopia Mössbauer, medições de calores de imersão, procedimentos de dessorção flash, estudos de difração de elétrons de baixa energia e ressonância magnética nuclear e técnicas de ressonância de spin eletrônico. .

Qual é a diferença entre uma enzima e um catalisador