¿Qué son los catalizadores y los mecanismos de reacción?
2. Catálisis
2.2. Catálisis heterogénea
Un catalizador heterogéneo es aquel que se encuentra presente en una fase diferente de la de los reactivos. Los catalizadores heterogéneos más comunes son los sólidos finamente divididos o porosos utilizados en reacciones de fase gaseosa o de fase líquida. Se encuentran finamente divididos o son porosos para así proporcionar un área de superficie grande para las reacciones elementales que facilitan el camino catalítico.
El reactivo se adsorbe sobre la superficie del catalizador. Cuando una molécula del reactivo se une a la superficie del catalizador, sus enlaces se debilitan y la reacción puede avanzar con mayor rapidez porque los enlaces se rompen con más facilidad.
Un ejemplo es el catalizador hierro utilizado en el proceso Haber para la obtención de amoníaco. La formación de amoníaco (NH3) a partir de dinitrógeno (N2) y de dihidrógeno (H2) es un proceso exotérmico y se puede representar con la siguiente ecuación:
N2 (g) + 3 H2 (g) ⇄ 2 NH3 (g) ΔH° = - 92.6 kJ
Pero la rapidez de la reacción es extremadamente lenta a temperatura ambiente. Para que una reacción sea una operación práctica a gran escala, debe proceder a una rapidez apreciable y debe dar un alto rendimiento del producto deseado. Al aumentar la temperatura se acelera la reacción, pero al mismo tiempo se promueve la descomposición de moléculas de amoníaco en dinitrógeno y dihidrógeno, lo que reduce el rendimiento.
En 1905, después de probar literalmente con cientos de compuestos a varias temperaturas y presiones, Fritz Haber descubrió que el hierro, más un pequeño porcentaje de óxidos de potasio y de aluminio, cataliza la reacción de producción del amoníaco, aproximadamente a 500 °C. Este proceso se conoce como el proceso Haber.
En la catálisis heterogénea la superficie del catalizador sólido es, por lo general, el sitio donde se lleva a cabo la reacción. El paso inicial en el proceso Haber implica la disociación del dinitrógeno y del dihidrógeno en la superficie del metal. Aunque las especies disociadas no son en realidad átomos libres porque están unidas a la superficie del metal, son muy reactivas.
Las dos moléculas de reactivos se comportan de manera muy diferente en la superficie del catalizador. Los estudios han demostrado que el dihidrógeno se disocia en hidrógeno atómico a temperaturas tan bajas como - 196 °C. Por otra parte las moléculas de dinitrógeno se disocian aproximadamente a 500 °C. Los átomos de nitrógeno y de hidrógeno, que son muy reactivos, se combinan rápidamente a altas temperaturas, para producir las moléculas de amoníaco.
Un segundo ejemplo de un catalizador heterogéneo es el pentóxido de divanadio finamente dividido que se utiliza en el proceso de contacto para la producción de ácido sulfúrico.
| V2O5 | ||||
|---|---|---|---|---|
| 2 SO2 (g) | + | O2 (g) | → | 2 SO3 (g) |
Observa el siguiente video en el que se puede observar el proceso de producción del ácido sulfúrico.
Nota: recuerda que no es correcto decir grados centígrados, sino más bien grados Celsius (°C).
La descomposición de una solución de peróxido de hidrógeno al 30 % se puede catalizar por cantidades muy pequeñas de óxidos de metales de transición, como por ejemplo dióxido de manganeso (MnO2), como se puede observar en el siguiente video.