Catalisis y sus fundamentos, Diapositivas de Cinética Química y Catálisis

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1 DEFINICIONES CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS CLASIFICACIÓN DE LA CATÁLISIS Carolina Montero C., PhD Carolina Montero C., PhD

Definiciones

Carolina Montero C., PhD 2 CATALISIS palabra acuñada por J.J. Bercelius → del Griego: kata= todo; lyein= desatar CATALIZADOR = Sustancia que acelera ( o retarda=inhibidor ) una reacción química + CATALIZADOR CATALIZADOR, puede ser reutilizable → Regeneración CATALIZADOR = menor Temperatura (T) y menor Presión (P)  Procesos más económicos y ecológicos

Características químicas: Qué permite el catalizador? Carolina Montero C., PhD

1. La reacción deseada se realiza más rápido que otras reacciones competitivas permitiendo así que la reacción producida sea la que realmente se desea
2. Reacciones exotérmicas : la reacción se realice a T ↓ (en la zona donde cinéticamente (sin catalizador) no se produciría). La reacción se realiza en condiciones termodinámicamente más favorables
3. Reacciones endotérmicas: la reacción se realiza a T moderadamente altas  permite que se realice en condiciones donde la termodinámica ya es favorable menor desperdicio de energía y permitiendo materiales más baratos para el reactor
4. Reacciones se lleven a cabo en reactores más pequeños, con mejores prestaciones y/u opciones de reciclo de reactivos no convertidos en el mismo reactor, o incluso con tiempos más cortos reactores tipo batch

CLASIFICACIÓN DE LA CATÁLISIS

Carolina Montero C., PhD 5 Catálisis puede presentarse de diversas formas: Pequeñas cantidades de átomos→moléculas Estructuras complejas (3D) como enzimas o zeolitas Principalmente en 3 subdivisiones generales:

 Catálisis Homogénea

 Biocatálisis o Catálisis Enzimática

 Catálisis Heterogénea

CATÁLISIS HOMOGÉNEA

Carolina Montero C., PhD 7 ▪En su mayoría en fase líquida : Catálisis por iones (ácido, base): esterificación, saponificación, ... Complejos metálicos solubles (Química organometálica) https://youtu.be/_t2-T2F-MZc

CATÁLISIS HOMOGÉNEA

Carolina Montero C., PhD 8 ▪Gas- Gas (poco frecuentes): Oxidación del dióxido de azufre con óxido nítrico como catalizador 2NO + O 2

→2NO

2 NO 2

+ SO

2

→ NO + SO

3 Química ambiental: CFC en atmósfera (descomposición del O 3

O

3

• Cl →ClO 3 ClO 3 → ClO + O 2 ClO + O→ Cl + O 2

O

3

+O → 2O

2

CATÁLISIS HETEROGÉNEA

Carolina Montero C., PhD 10 ♧Diferentes fases: Sólido que cataliza una reacción en fase gaseosa Sólido insoluble que cataliza una reacción en fase líquida ♧Catalizador puede ser separado del medio de reacción: centrifugación/filtración/decantación/tamizado ♧Reacciones catalíticas se producen en la superficie del catalizador C 2 H 4 (g) + H 2 (g)→C 2 H 6 (g) Catalizador Ni, Pd o Pt

CATÁLISIS HETEROGÉNEA

Carolina Montero C., PhD 11 https://www.youtube.com/watch?v=2kyzkZw2BLU

COMPARACIÓN CATALÍSIS HOMOGÉNEA Y

HETEROGÉNEA: Desventajas

Carolina Montero C., PhD HOMOGÉNEA HETEROGÉNEA Tóxico, corrosivo Menos activo y/o menos selectivo Dificultad para separación ( ej destilación) << reciclaje Aplicaciones más limitadas en química fina Contaminación de productos Pueden contener muchos sitios activos lo que dificulta su caracterización Cuasi exclusivo para sistemas batch Alto precio de catalizadores

Fragilidad

EVALUACIÓN DE LA CALIDAD

DEL CATALIZADOR

Carolina Montero C., PhD

SELECTIVIDAD Carolina Montero C., PhD

Capacidad de un catalizador para formar 1

producto entre un grupo (grande) de

productos que podrían , en principio, estar

formados

Catalysis Today Volume 181, Issue 1, 12 February 2012, Pages 40– 51

SELECTIVIDAD  ESPECIFICIDAD

ESPECIFICIDAD

Capacidad de un catalizador para que un reactivo reaccione con uno de los reactivos (similares) de un grupo Carolina Montero C., PhD

Carolina Montero C., PhD SEMESTRE 20- 20 QUIMIOSELECTIVIDAD: se favorece la formación de un grupo funcional frente a otros Etileno a acetaldehído= catalizador Pt, Cu Etileno materia prima orgánica de mayor consumo en la industria química. La producción mundial es de aproximadamente 100x 6 Tm anuales QUIMIOSELECTIVIDAD REGIOSELECTIVIDAD ENANTIOSELECTIVIDAD

Carolina Montero C., PhD SEMESTRE 20- 20

QUIMIOSELECTIVIDAD:

*Descomposición del etanol CH 3

CH

2

OH

Catalizador Productos Al 2

O

3

CH

2

=CH

2

+ H

2

O

Resinas – H

(CH 3

- CH

2

2

O + H

2

O

CuO CH 3

- CHO + H

2 Ni/Al 2

O

3

(+ H

2

) 2CH

4

+ H

2

O

ZnO/Al 2

O

3

CH

2

=CH-CH-CH

2

+ H

2

+ H

2

O

QUIMIOSELECTIVIDAD REGIOSELECTIVIDAD ENANTIOSELECTIVIDAD