Química - 3º B.D.

La catálisis heterogénea desempeña un papel importantísimo en el combate contra la contaminación urbana del aire. Dos componentes del escape de los automóviles que contribuyen a formar smog fotoquímico son los óxidos de nitrógeno y los hidrocarburos sin quemar de diversos tipos. Además, el escape de los automóviles puede contener cantidades considerables de monóxido de carbono. Aún prestando la atención más minuciosa al diseño de los motores, en las condiciones normales de conducción es imposible reducir las cantidades de estos contaminantes a un nivel aceptable en los gases de escape. Por consiguiente, es necesario eliminarlos del escape antes que salgan al aire. Esta eliminación se consigue en el convertidor catalítico. Durante muchos años, a los fabricantes se les ha solicitado incluirlos en los motores de los automóviles. 

Cuando la gasolina se quema, los productos que se encuentran en el escape de un automóvil contienen altos niveles de contaminantes. Estos incluyen monóxido de carbono (CO) de la combustión incompleta, hidrocarburos como C₇H₁₆ del combustible no quemado y óxido de nitrógeno (NO) de la reacción entre el dinitrógeno (N₂) y el dioxígeno (O₂) a las altas temperaturas que se alcanzan dentro del motor. El monóxido de carbono es tóxico y el óxido de nitrógeno participa en la formación de esmog y lluvia ácida.

El propósito de un convertidor catalítico es bajar la energía de activación para las reacciones que convierten cada uno de estos contaminantes en sustancias como CO₂, N₂, O₂ y H₂O, que ya están presentes en la atmósfera. La formación de dióxido de carbono a partir del monóxido de carbono es un proceso muy lento, una mezcla de ambos gases permanecería sin reaccionar durante miles de años en ausencia de un catalizador.

Las reacciones catalizadas en los convertidores catalíticos son todas exotérmicas y termodinámicamente favorables.

El convertidor catalítico, que es parte del sistema de escape, debe realizar dos funciones definidas: (1) la oxidación del CO y de los hidrocarburos sin quemar (C_xH_y) a dióxido de carbono y agua, y (2) la reducción de los óxidos de nitrógeno a dinitrógeno gaseoso. El desafío consiste en encontrar un catalizador - o una mezcla de catalizadores - que acelere tanto las reacciones de oxidación como las de reducción y que sea activo cuando el automóvil se enciende por primera vez y el motor aún se encuentra "frío". Los catalizadores deben ser eficaces en un amplio intervalo de temperaturas. Deben seguir siendo activos pese al hecho de que varios componentes del escape pueden bloquear los sitios activos del catalizador. Deben ser suficientemente robustos para soportar la turbulencia de los gases de escape y los choques mecánicos que origina la conducción en diversas condiciones a lo largo de miles de kilómetros.

Los convertidores catalíticos contienen dos tipos de catalizadores heterogéneos, metales nobles en polvo y óxidos de metales de transición en polvo.

Los catalizadores que favorecen la combustión del CO y de los hidrocarburos son, en general, óxidos de metales de transición y metales nobles como el platino. Se podría usar, por ejemplo, una mezcla de dos óxidos metálicos: CuO y Cr₂O₃. Estos materiales están soportados sobre una estructura cerámica apanalada que permite el mejor contacto posible entre la corriente de gas de escape y la superficie del catalizador. Se emplean estructuras de perlas o de panal hechas de alúmina (Al₂O₃) e impregnadas del catalizador. Estos catalizadores funcionan adsorbiendo primero dioxígeno gaseoso, también presente en el gas de escape. Esta adsorción debilita el enlace O — O del O₂, de modo que hay átomos de oxígeno disponibles para reaccionar con el CO adsorbido para formar CO₂. La oxidación de hidrocarburos se lleva a cabo de forma probablemente parecida, con una adsorción inicial de los hidrocarburos por ruptura de un enlace C — H.

Los catalizadores más eficaces de la reducción de NO para dar N₂ y O₂ son los óxidos de metales de transición y los metales nobles, los mismos tipos de materiales que catalizan la oxidación de CO y de hidrocarburos. Sin embargo, los catalizadores más eficaces en una reacción son por lo regular mucho menos eficaces en la otra. Por consiguiente, es necesario tener dos componentes catalíticos diferentes. Los convertidores catalíticos son catalizadores heterogéneos notablemente eficientes. Los gases de escape de automóvil están en contacto con el catalizador durante tan sólo entre 100 y 400 ms (milisegundos). En este brevísimo tiempo, el 96 % de los hidrocarburos y del CO se transforman en CO₂ y H₂O, y la emisión de óxidos de nitrógeno se reduce en un 76 %.

Desde luego, hay costos además de beneficios asociados con el uso de convertidores catalíticos. Algunos de los metales que se emplean en los convertidores son muy costosos. Los convertidores catalíticos representan actualmente alrededor del 35 % del platino, el 65 % del paladio y el 95 % del rodio que se consumen anualmente. Todos estos metales, que provienen sobre todo de Rusia y Sudáfrica, son mucho más costosos que el oro.

Los catalizadores pueden ser envenenados (inactivados). Una causa frecuente de envenenamiento es la adsorción de una molécula al catalizador tan fuerte que clausura su superficie para reacciones adicionales. Algunos metales pesados, sobre todo el plomo, constituyen venenos muy potentes para los catalizadores heterogéneos, esta es una de las razones por lo que debe utilizarse nafta sin plomo en motores armados con convertidores catalíticos. Los combustibles con plomo contienen tetraetil plomo, Pb(C₂H₅)₄ y tetrametil plomo Pb(CH₃)₄.empleados como aditivos para reducir la detonación. La eliminación del plomo de los combustibles presenta el beneficio adicional de disminuir el plomo venenoso en el ambiente. 

Créditos: 

• Atkins. P. y Jones, L. (2005). Principios de Química. (3era edición). Editorial Panamericana.
  
• Brown, T., Le May, E., Bursten, B. y Burdge, J. (2004). Química. La Ciencia Central. (9na edición). México: Pearson Educación.
  
• Chang, R. (2007). Química. (9na edición). Mc Graw Hill.
• Timberlake, K. (2013). Química general, orgánica y biológica: estructuras de la vida. México: Pearson Educación.
  
• Whitten, K., Davis, R. y Peck, M. (1998). Química General. (5ta edición). Madrid, España: Mc Graw Hill.
  
• El Observador. (11 de abril de 2011). ANCAP ya vende sus nuevas naftas sin plomo. https://www.elobservador.com.uy/nota/ancap-ya-vende-sus-nuevas-naftas-sin-plomo-20114111900
• MOFLES MUSTANG. (4 de marzo de 2015). como funciona el convertidor catalitico. [Archivo de Video]. Youtube. https://youtu.be/uEwQznnkLPc
  
• Silenciador. Autor: Pxhere. Licencia: Gratis para uso personal y comercial.

1. ¿Cómo funciona el convertidor catalítico?

2. Escribe una ecuación que represente la formación de dióxido de carbono gaseoso a partir de monóxido de carbono gaseoso, y otra que represente la reacción entre el dioxígeno y el dinitrógeno gaseosos para formarse monóxido de nitrógeno gaseoso.

3. ¿Qué procesos redox se dan durante el funcionamiento del convertidor catalítico?

4. ANCAP puso a la venta el martes 12 de abril de 2011 sus nuevos productos sin plomo, la Especial 87 SP, la Súper 95 SP y la Premium 97 SP, que sustituyeron a la 85 Especial, la 95 Supra y la Ecosupra 95. ¿Qué significan los nombres de los combustibles citados? ¿Qué beneficios trajo este cambio?

5. ¿Qué tipo de catálisis es la que ocurre en los convertidores?

6. ¿Por qué se utilizan estructuras de perlas o panal impregnadas de catalizador? ¿Qué relación tiene esto con las variables que afectan la rapidez de una reacción?