Em química, um catalisador é qualquer substância que afeta a velocidade de uma reação, alterando a energia de ativação necessária para o início da reação. O termo catalisador é geralmente reservado para aqueles que aumentam a taxa de reação ( catálise positiva ) e os catalisadores que a retardam ( catálise negativa ) são chamados de inibidores .

O catalisador desempenha sua função permanecendo intacto ao final da reação, embora possa ter participado de etapas intermediárias, o catalisador não é consumido . A diferença entre uma reação não catalisada e uma reação catalisada é a mudança na energia de ativação sem mudanças de energia nos reagentes ou produtos.

Ou seja, a diferença de entalpia (ΔH) é a mesma para as duas reações, mas ocorrem em taxas diferentes. Por exemplo, um catalisador pode aumentar a velocidade de uma reação sem a necessidade de aumentar a temperatura ou a pressão , o que por sua vez torna possível que essa reação ocorra a temperaturas mais baixas do que o que normalmente ocorreria.

Algumas substâncias não são capazes de alterar a velocidade de uma reação por conta própria, mas podem aumentar a ação de certos tipos de catalisadores. Essas substâncias são conhecidas como promotores .

Mecanismos catalíticos

A atividade catalítica de uma substância é geralmente medida em mol / s (moles por segundo), uma unidade chamada katal e representada pelo símbolo kat no Sistema Internacional de Unidades. Não deve ser confundido com velocidade de reação; katal é uma propriedade do catalisador em certas circunstâncias e para uma reação específica.

Uma atividade catalítica de 1 kat representa a quantidade de catalisador necessária para transformar 1 mol de substrato. O mesmo catalisador geralmente tem diferentes atividades catalíticas para diferentes reações.

Em geral, os catalisadores atuam oferecendo uma rota alternativa para a reação . Eles geralmente reagem com um ou mais reagentes formando intermediários que continuam a reagir até atingir o produto final e liberar o catalisador.

O processo pode ser descrito nas seguintes etapas (X e Y são os reagentes, C o catalisador, Z é o produto final da reação):

  1. X + Y + C → X C + Y
  2. Y + X C → XY C
  3. XY CC Z
  4. C Z → C + Z

Embora haja quatro etapas, a reação geral é a mesma que sem a intervenção do catalisador:

X + Y → Z

O efeito do catalisador na taxa de reação é devido à menor energia de ativação da via alternativa oferecida pelo catalisador. Ou seja, o catalisador oferece um estado de transição para a reação que requer menor energia de ativação.

> Esquema da energia de uma reação com e sem catalisador >

Por exemplo, a decomposição de H 2 O 2 (peróxido de hidrogênio) em água e oxigênio molecular é termodinamicamente favorável, mas é bastante lenta; Ao adicionar óxido de manganês IV (pirolusita ou MnO 2 ), o peróxido de hidrogênio se decompõe rapidamente e a pirolusita pode ser recuperada intacta:

2H 2 O 2 + MnO 2 → 2H 2 O + O 2 + MnO 2

Os mecanismos nos níveis atômico e molecular podem ser altamente variáveis e, em muitos casos, específicos para cada combinação de reação-catalisador.

Por exemplo, a catálise da hidrogenação de ligações duplas carbono-carbono (C = C) por uma superfície metálica começa com a interação do hidrogênio molecular (H 2 ) com a superfície do metal, dissociando-se para formar átomos de hidrogênio fixados na superfície . A ligação dupla também se quebra e se liga à superfície e, em seguida, os átomos de hidrogênio migram, se ligam aos carbonos e são liberados da superfície do metal:

> Catálise metálica de hidrogenação de etileno>

Tipos de catalisadores

Os catalisadores são geralmente classificados em dois tipos gerais com base no fato de o catalisador estar ou não na mesma fase que os reagentes, embora os mecanismos operacionais gerais se apliquem a ambos os tipos. Assim, eles podem ser distinguidos:

  1. Catalisadores heterogêneos : o catalisador está em uma fase diferente dos reagentes. Por exemplo, o catalisador pode estar no estado sólido e os reagentes em solução líquida ou gasosa.
  2. Catalisadores homogêneos : o catalisador está na mesma fase dos reagentes. Por exemplo, os reagentes e o catalisador estão em solução.

Catalisadores heterogêneos

Os catalisadores heterogêneos atuam em uma fase diferente dos reagentes . A maioria dos catalisadores heterogêneos são sólidos que atuam sobre substratos presentes em um líquido ou em um gás. A catálise ocorre na superfície do sólido por meio de diferentes mecanismos de adsorção : mecanismo Langmuir-Hinshelwood, Eley-Rideal ou Mars-van Krevelen.

Os sítios ativos são as áreas da superfície do catalisador onde ocorre a interação com os substratos. Os átomos e estruturas que tornam essa interação possível estão presentes nessas zonas, mas geralmente não são os mais abundantes na superfície do catalisador, o que geralmente torna a maior parte do volume e da superfície de um catalisador sólido inerte cataliticamente .

Por ser na superfície onde estão os sítios ativos, quanto maior a superfície exposta, maior a atividade catalítica , razão pela qual catalisadores heterogêneos são frequentemente utilizados na forma de pós, chips e até nanopartículas.

Além disso, catalisadores heterogêneos são frequentemente usados ​​em um suporte, outro material cataliticamente inerte no qual o catalisador é disperso a fim de reduzir seu custo, evitar aglomeração do catalisador, aumentar a superfície exposta e outros efeitos que aumentam a eficácia do catalisador.

Um exemplo típico de catálise heterogênea é encontrado na síntese de amônia no chamado processo Haber, ou processo Haber-Bosch, que utiliza o ferro metálico como catalisador da reação entre nitrogênio e hidrogênio. Começa com os gases nitrogênio (N 2 ) e hidrogênio (H 2 ) e passa por partículas muito finas de ferro metálico. Os gases se ligam aos sítios ativos da superfície do metal e suas moléculas se dissociam, deixando as espécies atômicas adsorvidas (quimissorção). Desta forma, a ligação tripla no nitrogênio molecular, uma ligação muito forte, é quebrada mais facilmente, a energia de ativação para a reação diminui e a taxa geral é aumentada.

> Esquema do processo Haber-Bosch>

Catalisadores homogêneos

Catalisadores homogêneos atuam na mesma fase que os reagentes , o que geralmente implica que o catalisador e os reagentes são dissolvidos no mesmo solvente. Entre os exemplos mais comuns de catalisadores homogêneos, temos:

  • Catalisadores organometálicos : são moléculas orgânicas com elementos metálicos que geralmente formam os sítios ativos. Eles são usados ​​em reações com substratos orgânicos e inorgânicos.
  • Catalisadores orgânicos (organocatálise) : são catalisadores totalmente orgânicos, sem metal, que catalisam reações orgânicas.
  • Fotocatálise : A fotocatálise ocorre quando o catalisador precisa receber radiação eletromagnética, por exemplo, luz visível, para entrar em um estado excitado e ser cataliticamente ativo. No estado excitado, ele interage com os reagentes e retorna ao estado fundamental sem ser consumido na reação.
  • Enzimas e biocatalisadores : biocatalisadores e enzimas são substâncias cuja atividade biológica é a catálise de reações metabólicas. As enzimas são moléculas orgânicas e quase todas são proteínas por natureza. Os biocatalisadores também são usados ​​industrialmente, por exemplo, na produção de xarope de milho com alto teor de frutose. As enzimas solúveis seriam catalisadores homogêneos, mas as enzimas de membrana seriam, estritamente falando, catalisadores heterogêneos.
  • Nanocatálise : são catalisadores sólidos reduzidos a nanopartículas que preservam a função catalítica. A área exposta do catalisador é maximizada, alcançando alta atividade catalítica por unidade de massa. Um exemplo seriam as chamadas nanozimas, nanopartículas que imitam a atividade de uma determinada enzima.
  • Autocatalisadores : é um fenômeno catalítico muito interessante que consiste em que o produto de uma reação tem atividade catalítica sobre a reação que o produz. Conforme a reação progride, há mais e mais catalisador e a velocidade da reação aumenta. A reação geral pode ser descrita em A + B → 2B, com B tendo atividade catalítica.

Impacto ambiental

O uso de catalisadores em nível industrial é praticamente universal, mais de 90% das substâncias químicas comercializadas são obtidas em processos que utilizam algum tipo de catálise, já que reduzir a energia necessária e aumentar a velocidade de reação são fundamentais para reduzir o custo de produção .

E não só na indústria química, a catálise é usada em muitos outros setores; por exemplo, a hidrogenação de gorduras na indústria alimentícia geralmente é feita por catálise com níquel.

No meio ambiente, muitos poluentes atuam aumentando a taxa de reações prejudiciais. Por exemplo, os radicais livres de cloreto catalisam a quebra do ozônio em oxigênio molecular. A ação da radiação ultravioleta do Sol sobre os clorofluorcarbonetos que poluem a atmosfera dá origem a esse tipo de radicais e é uma das principais causas do buraco na camada de ozônio.

  1. Cl · + O 3 → ClO · + O 2
  2. ClO · + O · → Cl · + O 2