Catalisadores: Homogêneos e Heterogêneos - Mecanismo e Vantagem

POR Pedro Coelho

Publicado: terça-feira, 19 de junho de 2012

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Os catalisadores são substâncias que aumentam a velocidade de uma reação química sem serem consumidos, e após a reação, podem ser recuperados da mistura reacional quimicamente inalterados. Eles participam da reação química , proporcionando um mecanismo alternativo de reação, que necessita de menos energia para a formação de produtos.

Observando os dois gráficos abaixo, vemos que ambos se tratam de uma mesma reação química, No entanto, o primeiro gráfico mostra a energia necessária para a conversão dos reagentes em produtos sem catalisador e, o segundo gráfico mostra a mesma conversão com catalisador.

Nota-se ao observar os gráficos, que a reação com o catalisador necessita de menos energia para a conversão dos reagentes em produtos . E como a reação com catalisador necessita de menos energia, Logo as moléculas nessa reação devem ter maior energia cinética para reagir e, com maior energia para reagir, maior vai ser o número de colisões entre as moléculas, assim, fazendo com que a reação ocorra mais rapidamente.

Catalisadores homogêneos e heterogêneos

De modo geral, os catalisadores podem ser classificados em duas categorias: catalisadores homogêneos e heterogêneos. Um catalisador homogêneo esta presente na mesma fase que os reagentes e pode servir para acelerar uma reação através da formação de um intermediário reativo com um dos reagentes:

Por exemplo, a reação de decomposição do álcool t-butílico (CH₃)₃COH para produzir água e isobuteno

${{(C{{H}_{3}})}_{3}}COH{{\to}_{_{{}}}}{{(C{{H}_{3}})}_{2}}C=C{{H}_{2}}+{{H}_{2}}O$

É catalisada pela presença de pequenas quantidades de HBr. Na ausência de HBr, a energia de ativação da reação é 274 KJ/mol e abaixo de 450 °C, a reação ocorre a uma velocidade quase imperceptível .Na presença do HBr é encontrada uma energia de ativa de 127KJ/mol e é possível que a reação catalisada se processe por um ataque do HBr ao álcool

${{(C{{H}_{3}})}_{3}}COH+HBr\to {{(C{{H}_{3}})}_{3}}CBr+{{H}_{2}}O$

Seguida pela rápida decomposição do Brometo de t-butila(CH₃)₃CBr

${{(C{{H}_{3}})}_{3}}CBr\to {{(C{{H}_{3}})}_{2}}C=C{{H}_{2}}+HBr$

Assim o HBr proporciona um percurso alternativo de baixa energia para a reação e maior velocidade de reação.

Já um catalisador heterogêneo, não está na mesma fase que os reagentes, porém, ele proporciona uma superfície favorável sobre a qual ocorre a reação.

Por exemplo a reação entre o hidrogênio (gás) e o etileno (gás) formando o etano, sob a ação catalítica de alguns metais sólidos, como a platina e o níquel.

${{H}_{2}}(g)+{{C}_{2}}{{H}_{4}}(g)\xrightarrow{Pt(s)}{{C}_{2}}{{H}_{6}}(g)$

Mecanismos de Funcionamento dos catalisadores homogêneos e heterogêneos

Os catalisadores homogêneos funcionam na mesma fase dos reagentes, geralmente todos dissolvidos em solução líquida, onde o catalisador age fisicamente interagindo molecularmente por meio da formação de complexos intermediários transitórios que alteram o caminho da reação, permitindo que as moléculas dos reagentes se aproximem e se liguem diretamente ao catalisador sem necessidade de adsorção superficial, o que facilita uma dessorção natural ao final do ciclo reacional quando os produtos se liberam e o catalisador é regenerado para atuar novamente.

Essa interação reduz a energia de ativação, como mostrado em gráficos de perfil energético onde a curva com catalisador apresenta uma barreira mais baixa e múltiplos passos intermediários de menor energia em comparação à reação sem catalisador, acelerando o processo sem alterar o equilíbrio termodinâmico.

Nos catalisadores heterogêneos, o mecanismo ocorre predominantemente na superfície sólida do catalisador, onde as moléculas dos reagentes em fase gasosa ou líquida se aproximam fisicamente por difusão, grudam na superfície por adsorção química ou física nos sítios ativos (como átomos expostos em nanopartículas metálicas), enfraquecendo ligações e permitindo que reajam diretamente ali, para depois os produtos se desprendem por dessorção e difundem para longe, regenerando os sítios para novos ciclos.

Os gráficos de energia de ativação, como o mostrado no início desse artigo, ilustram bem essa ação mostrando uma queda acentuada na barreira energética devido à adsorção estabilizadora dos reagentes na superfície, criando um caminho reacional com estados intermediários adsorvidos de energia inferior ao da reação não catalisada, o que multiplica a taxa de reação especialmente em processos industriais.

Vantagens e Desvantagens do Uso de catalisadores

Os catalisadores homogêneos, que estão na mesma fase dos reagentes (como todos líquidos ou gasosos), oferecem vantagens como a utilização eficiente de quase todas as suas moléculas durante a reação, alta seletividade (inclusive quimiosseletiva ou estereosseletiva), maior atividade devido à mobilidade no meio reacional e facilidade no controle de temperatura e pressão.

No entanto, eles apresentam desvantagens significativas, como custos elevados para separar e recuperar o catalisador dos produtos, risco de contaminação do produto final pelo catalisador ou seus resíduos, e problemas de corrosão em reações com solventes ácidos.

Já os catalisadores heterogêneos, em fase diferente dos reagentes (geralmente sólidos em reações gasosas ou líquidas), destacam-se pela facilidade de separação do meio reacional por métodos simples como filtração, eliminação de problemas de corrosão e tratamento de efluentes, além de maior resistência térmica em alguns casos, o que os torna preferidos na indústria química.

Suas desvantagens incluem menor atividade por unidade de massa devido a menos sítios ativos expostos, dificuldades no controle de temperatura em reações exotérmicas intensas, limitações de transferência de massa na interface ou poros do catalisador, e suscetibilidade a envenenamento por impurezas.

Exemplos do Dia a Dia e Indústria do uso de Catalisadores

Os catalisadores homogêneos são amplamente utilizados no dia a dia por meio das enzimas, que atuam como biocatalisadores em meios aquosos dentro do nosso organismo, acelerando reações vitais como a digestão de alimentos no estômago ou intestino, onde a pepsina quebra proteínas em aminoácidos de forma altamente seletiva e eficiente sob condições suaves de temperatura e pH, conectando a teoria à prática biológica cotidiana que permite nossa sobrevivência sem exigir altas energias.

Na indústria, um exemplo clássico é o processo de polimerização de olefinas como o eteno para produzir polietileno, onde complexos metálicos solúveis como os catalisadores Ziegler-Natta modificados em solução homogênea garantem polímeros de alta qualidade com controle preciso da estrutura molecular, ou ainda na hidrogenação de gorduras vegetais para margarinas usando níquel dissolvido em óleos, transformando insaturações em ligações simples de modo rápido e seletivo.

Já os catalisadores heterogêneos brilham no cotidiano com os conversores catalíticos nos escapamentos de carros, onde metais preciosos como platina, paládio e ródio suportados em cerâmica sólida adsorvem gases poluentes como CO, NOx e hidrocarbonetos não queimados, convertendo-os em CO₂, N₂ e H₂O inofensivos acima de 400°C, reduzindo assim em mais de 90% as emissões veiculares e melhorando a qualidade do ar urbano que respiramos diariamente.

Na indústria, o processo Haber-Bosch para síntese de amônia emprega ferro promovido com óxidos de alumínio e potássio como catalisador sólido em reatores de alta pressão, fixando nitrogênio atmosférico com hidrogênio para produzir fertilizantes essenciais à agricultura global, enquanto no refino de petróleo platina ou níquel em leitos fixos catalisam craqueamento e hidrotratamento, quebrando moléculas pesadas em gasolina e diesel de alta octanagem, ilustrando como esses sólidos industriais tornam viáveis produções em escala massiva e economicamente sustentável.

Referências

• Química Geral Vol.2 – James E.Brady, Gerard E. Humiston – Livros técnicos e científicos editora S.A,1986
• http://www.infoescola.com/quimica/catalisadores/ (Acessado em 19/06/2012 as 15:40)
• Fundamentos da Catalise,Remolo Ciola ,Editora da Universidade de São Paulo, 1981

Sobre o autor

Olá meu nome é Pedro Coelho, eu sou engenheiro químico com Pós Graduação em Engenharia de Segurança do Trabalho e também sou Green Belt em Lean Six Sigma. Além disso, eu conclui recentemente o curso de Engenharia Civil, e em parte de minhas horas vagas me dedico a escrever artigos aqui no ENGQUIMICASANTOSSP, para ajudar estudantes de Engenharia Química e de áreas correlatas. Se você está curtindo essa postagem, siga-nos através de nossas paginas nas redes sociais e compartilhe com seus amigos para eles curtirem também :)