Catalizadores

¿La piedra filosofal del siglo XX?

Sergio Fuentes, Gabriela Díaz

• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Año: 2019
• ISBN:
  9786071638502
• Categoría: Ciencias físicas
• Categoría: Comportamiento caótico en los sistemas

Los catalizadores pueden compararse con la piedra filosofal de los alquimistas, ya que permiten transformar el petróleo, si no en oro, sí en una serie de productos cotidianos indispensables, y aunque la acción del proceso catalítico no se limita a la aceleración de reacciones químicas y a la transformación del petróleo, es en este último campo donde ha tenido su principal aplicación. Se trata, además, de un fenómeno que es clara muestra de la unión que debe existir entre investigación científica y tecnológica.

V. Catálisis heterogénea

LA CATÁLISIS es esencialmente un fenómeno químico. La habilidad de una sustancia para actuar como catalizador en un sistema específico depende de su naturaleza química. En catálisis heterogénea el fenómeno catalítico está relacionado con las propiedades químicas de la superficie del sólido que se ha elegido como catalizador, siendo por supuesto estas propiedades superficiales un reflejo de la química del sólido.

Una recopilación muy simple de catalizadores sólidos y de las reacciones que éstos llevan a cabo condujo a Roginskii a proponer una relación entre propiedades electrónicas y catalíticas.

TABLA V.1

La tabla muestra que los metales de transición Fe, Ni, Pt, Pd, etc., son buenos catalizadores en reacciones que incluyen hidrógeno e hidrocarburos (hidrogenación, deshidrogenación, hidrogenólisis). Esto se debe a que esas moléculas interaccionan fácilmente con la superficie de esos metales.

Los óxidos (NiO, ZnO) son muy buenos catalizadores de oxidación debido a que fácilmente interaccionan con el oxígeno y los hidrocarburos en su superficie. Generalmente los óxidos son muy poco utilizados en hidrogenación porque durante la reacción se reducen para dar metal (ZnO+H₂ → Zn+H₂O). Los sulfuros se caracterizan por catalizar reacciones de moléculas que contienen azufre; si por ejemplo se usan óxidos para estas reacciones, éstos fácilmente se sulfuran volviéndose inactivos.

Existe una clase especial de óxidos como la alúmina (Al₂O₃), la sílice (SiO₂) y la magnesia (MgO), los cuales no interaccionan mucho con el oxígeno y son, por lo tanto, malos catalizadores de oxidación. Sin embargo, estos óxidos interaccionan fácilmente con el agua y son muy buenos catalizadores de deshidratación.

Observamos entonces que existe cierta compatibilidad entre catalizador, reactivos y productos. Para que el fenómeno catalítico ocurra es necesaria una interacción química entre el catalizador y el sistema reactivos-productos. Esta interacción no debe modificar la naturaleza química del catalizador a excepción de su superficie. Esto significa que la interacción entre el catalizador y el sistema reaccionante se observa en la superficie del catalizador y no involucra el interior del sólido. Este requerimiento nos lleva al concepto de adsorción.*

La adsorción de moléculas de una fase fluida (gas o líquido) en la superficie de un sólido está estrechamente ligada a la catálisis heterogénea. Todos los sólidos tienen la propiedad de fijar (adsorber) en su superficie las moléculas, átomos o iones que se encuentren a su alrededor. Imaginemos una superficie. Una superficie puede formarse por la ruptura de un cristal perteneciente a un sólido covalente, como por ejemplo el diamante o cualquier metal. En el proceso de ruptura del cristal, algunos enlaces covalentes entre átomos se rompen, lo que origina que cada átomo en la superficie posea una o más valencias libres. El número y tipo de estas valencias depende de la estructura del sólido y del ángulo que haya sido utilizado para provocar la fractura. Cualquier átomo que se localice en la superficie creada se encuentra en una posición poco usual, el número de vecinos que poseía antes de la formación de la superficie ha disminuido y experimenta un conjunto de fuerzas no balanceadas (figura V.1)....