Cataliză

Cataliză, catalizatori, reacţii catalitice, centri activi, promotori, otrăvuri

Termenul de cataliză a fost introdus în anul 1836 de către Berzelius pentru a cuprinde o serie de rezultate obţinute de Thenard, Kirchoff, Davy şi Dobereiner, privind diferite reacţii chimice care se desfăşurau doar în prezenţa unor substanţe ce nu se modificau din punct de vedere chimic în urma contactului cu reactanţii sau produşii de reacţie.

Cuvântul cataliză provine din cuvinte din limba greacă- prefixul cata- însemnând jos, adânc, ascuns, iar verbul liză însemnând rupere, despicare. Prin ,,acţionarea afinităţilor latente”, catalizatorul rupe, întrerupe forţele normale care inhibă reacţiile moleculelor. Cuvântul chinezesc care se foloseşte pentru catalizator, şi care, de asemenea, înseamnă rupere de căsătorie reflectă percepţia neprofesionistă a termenului. Cataliza este fenomenul acţiunii catalizatorului.

Cataliza reprezintă modificarea selectivă a vitezei de reacţie în prezenţa catalizatorului care participă în moc ciclic la interacţii intermediare cu reactanţii şi se regenerează periodic după fiecare ciclu.

Reformulând definiţia lui Berzelius se poate spune: catalizatorul este o substanţă care creşte viteza spre apropierea de echilibru termodinamic al unui sistem de reacţie, fără a se consuma în proces.

Numeroase argumente teoretice şi experimentale demonstrează faptul că un catalizator nu poate schimba poziţia echilibrului chimic, ci măreşte numai viteza cu care se poate ajunge la starea de echilibru.

Deoarece catalizatorul este nemodificat la sfârşitul reacţiei catalitice, el nu schimbă energie cu sistemul reactant, în consecinţă, din considerentele termodinamice, nu poate influenţa poziţia echilibrului reacţiei chimice pe care o catalizează. El creşte viteza apropierii de echilibru a sistemului reactant, care este posibil termodinamic şi în absenţa catalizatorului. Cu alte cuvinte, un catalizator nu poate influenţa o reacţie imposibilă termodinamic, motiv pentru care înaintea cercetării eficacităţii oricărui sistem catalitic într-un proces dat este obligatoriu studiul posibilităţii termodinamice a reacţiei dorite.

Catalizatorii intervin în reacţia chimică, modificând viteza de reacţie şi selectivitatea. Catalizatorii pot să accelereze reacţiile chimice (cataliza propriu-zisă sau cataliza pozitivă) sau pot să le frâneze (cataliza negativă). Un exemplu de cataliză negativă îl constituie frânarea reacţiei dintre clor şi hidrogen de către urmele de oxigen. Cataliza negativă nu se identifică cu inhibiţia. Inhibitorul angajat în interacţia cu reactanţii dispare, pe când catalizatorul negativ se regenerează.

Catalizatorul are un efect selectiv atunci când acţionează preferenţial, asupra reacţiei principale şi defavorizează reacţiile secundare nedorite. Catalizatorul interacţionează cu reactanţii formând stări intermediare instabile care trec în produşi de reacţie.

Reacţiile catalitice pot fi definite din punct de vedere cinetic ca fiind secvenţe închise (succesiuni ciclice) de etape elementare cu regenerarea centrilor activi, în care centrii activi sunt puşi la dispoziţia reactanţilor de către o entitate separată, exterioară sistemului reactant, denumită catalizator. Reacţiile catalitice sunt mai rapide decât cele necatalitice datorită micşorării energiei de activare sau modificării factorului preexponenţial din relaţia lui Arrhenius.

Cu toate deosebirile care decurg din specificul fiecărui domeniu, procesele catalitice prezintă trăsături de bază comune: mărirea vitezei de reacţie, formarea unor combinaţii intermediere între catalizator şi reactanţi, existenţa unei etape de regenerare care readuce catalizatorul în forma iniţială.

Catalizatorii nu pot deplasa echilibrul chimic, ci doar mări viteza de atingere a echilibrului în reacţii posibil termodinamic. Dacă se ajunge la echilibru, catalizatorii măresc de acelaşi număr de ori constantele cinetice corespunzătoare reacţiilor directă şi inversă. Astfel se explică de ce, de exemplu, catalizatorii pentru dehidrogenare accelerează şi hidrogenarea.

Catalizatorii au o deosebită afinitate pentru reactanţi. În cazul catalizatorilor solizi, această afinitate este determinată de caracterul eterogen al suprafeţei catalitice. Pe suprafaţa externă (geometrică) şi internă (suprafaţa porilor) a solidelor catalitice, există zone cu activitate catalitică diferenţială şi zone inactive din punct de vedere catalitic. Zonele activ catalitic se definesc drept centri activi. În cazul multor catalizatori solizi, suprafaţa activă reprezintă mai puţin de 0,1% din suprafaţa totală a catalizatorilor. Conceptul de centri activi s-a extins şi asupra cazurilor de cataliză omogenă, caracterizând acele formaţiuni moleculare sau ionice din soluţie care participă la actul catalitic, formând cu moleculele reactante complecşi intermediari şi instabili.