Catalizatori

Un catalizator este o substanță care mărește viteza unei reacții chimice fără să se consume: la sfârșit se regăsește în aceeași cantitate și cu aceleași proprietăți ca la început. El oferă reacției un drum cu o „barieră” de energie mai mică, așa că particulele reactanților reacționează mai repede. Un tunel prin munte este o imagine bună: ajungi în același loc, dar pe un drum mai ușor. Catalizatorul nu este nici reactant, nici produs, de aceea se scrie deasupra săgeții: $2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\stackrel{\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_2}{\to }2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$.

Exemple de catalizatori:

• dioxidul de mangan, $\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_2$, accelerează descompunerea apei oxigenate;
• fierul accelerează sinteza amoniacului, ${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\to 2N{\mathrm{H}}_3$, din care se fac îngrășăminte;
• pentaoxidul de vanadiu, ${\mathrm{V}}_2{\mathrm{O}}_5$, accelerează oxidarea $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ la $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$ în fabricarea acidului sulfuric;
• platina, paladiul și rodiul din catalizatorul unei mașini transformă gazele toxice din eșapament în gaze mai puțin dăunătoare;
• enzimele sunt catalizatorii organismelor vii: amilaza din salivă descompune amidonul, iar catalaza din sânge și din cartof descompune apa oxigenată (de aceea face spumă pe o rană).

Să urmărim un experiment în pași.

1. Într-un pahar se toarnă 20 mL de apă oxigenată de concentrație 3%. Apar foarte puține bule: descompunerea este lentă.
2. Se adaugă un vârf de cuțit, aproximativ $0,5$ g, de pulbere neagră de $\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_2$. Se degajă imediat o efervescență puternică.
3. O așchie cu jar, ținută la gura paharului, se aprinde cu flacără: gazul degajat este oxigenul.
4. După ce efervescența se oprește, amestecul se filtrează, iar pulberea neagră se spală și se usucă. Ea cântărește din nou $0,5$ g.
5. Concluzie: $\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_2$ a grăbit reacția, dar nu s-a consumat și nu s-a transformat în altă substanță.

Catalizatorul nu face să aibă loc o reacție care nu se produce deloc, nu modifică cantitatea de produs obținută din aceeași cantitate de reactant și nu schimbă căldura degajată sau absorbită. Fiecare catalizator acționează asupra unor reacții precise: fierul din sinteza amoniacului nu accelerează descompunerea apei oxigenate. Din acest motiv fabricile aleg catalizatorul potrivit pentru fiecare reacție, iar pentru economie îl recuperează și îl refolosesc, pentru că nu s-a consumat. Fără fier, sinteza amoniacului ar decurge atât de încet, încât nu ar fi rentabilă.

Catalizatorul participă la etape intermediare ale reacției, dar este regenerat la sfârșit; din acest motiv nu apare printre reactanții consumați din ecuația globală. Efectul lui se citește pe diagrama energetică: scade energia de activare atât pentru reacția directă, cât și pentru cea inversă. Energia reactanților și a produșilor rămâne aceeași, deci efectul termic $\Delta H$ nu se schimbă.

După faza în care se află față de reactanți, catalizatorii sunt:

• omogeni, în aceeași fază cu reactanții, de exemplu ionii ${\mathrm{H}}^{+}$ care accelerează esterificarea în soluție;
• eterogeni, în altă fază decât reactanții, de exemplu fierul solid, ${\mathrm{V}}_2{\mathrm{O}}_5$ solid sau platina, care accelerează reacții între gaze; la acești catalizatori contează suprafața, de aceea se folosesc pulberi sau rețele fine.

Mecanismul se vede la descompunerea apei oxigenate cu ioni iodură: într-o primă etapă, ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{I}}^{-}\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+\mathrm{I}{\mathrm{O}}^{-}$, iar în a doua, ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2+\mathrm{I}{\mathrm{O}}^{-}\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{I}}^{-}$. Ionul ${\mathrm{I}}^{-}$ este consumat în prima etapă și refăcut în a doua, iar suma etapelor este $2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$, fără ${\mathrm{I}}^{-}$ în ecuația globală.

În industrie se folosesc și alți catalizatori: nichelul la hidrogenarea uleiurilor vegetale, pentru fabricarea margarinei; platina și rodiul la oxidarea amoniacului, $4N{\mathrm{H}}_3+5{\mathrm{O}}_2\to 4NO+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, etapă a fabricării acidului azotic; oxidul de aluminiu la deshidratarea alcoolului etilic.

Un catalizator își pierde activitatea dacă este „otrăvit”: plumbul din benzină acoperă suprafața catalizatorului auto, deci mașinile cu catalizator folosesc benzină fără plumb. Enzimele au o acțiune specifică, pentru o singură reacție, și funcționează la temperatura corpului, aproximativ $37{}^{\circ }\mathrm{C}$; la încălzire puternică își pierd structura și activitatea.

Exemplul 1: o soluție de apă oxigenată cu masa de $200$ g și concentrația procentuală masică $3,4\%$ se descompune complet în prezența $\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_2$. Se cer masa și volumul de oxigen (c.n.).

1. $m({\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2)=200\cdot 3,4/100=6,8$ g.
2. $M({\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2)=2\cdot 1+2\cdot 16=34$ g/mol, deci $n=6,8/34=0,20$ mol.
3. Din ecuația $2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$, două părți de apă oxigenată dau o parte de oxigen: $n({\mathrm{O}}_2)=0,10$ mol.
4. $m({\mathrm{O}}_2)=0,10\cdot 32=3,2$ g și $V=0,10\cdot 22,4=2,24$ L.

Catalizatorul nu apare în calcul: schimbă timpul în care se degajă gazul, nu cantitatea lui. Dacă aceeași soluție se tratează cu $1,0$ g de $\mathrm{Mn}{\mathrm{O}}_2$ pulbere în loc de $0,5$ g, oxigenul se degajă mai repede, deoarece suprafața de contact este mai mare, dar volumul final rămâne $2,24$ L.

Enzimele sunt catalizatori foarte eficienți: o moleculă de catalază descompune milioane de molecule de apă oxigenată pe secundă. Apa oxigenată se formează în celule ca produs secundar toxic și trebuie eliminată rapid. La fel, amilaza din salivă începe digestia amidonului în gură.

Exemplul 2: în catalizatorul unei mașini are loc reacția $2CO+2NO\to 2C{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{N}}_2$ pe platină și rodiu. Câți litri de azot (c.n.) și câte grame de dioxid de carbon rezultă din $0,56$ L de $\mathrm{CO}$ (c.n.) și cantitatea echivalentă de $\mathrm{NO}$?

1. $n(\mathrm{CO})=0,56/22,4=0,025$ mol.
2. Raportul molar $\mathrm{CO}:\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2:{\mathrm{N}}_2=2:2:1$ dă $n(\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2)=0,025$ mol și $n({\mathrm{N}}_2)=0,0125$ mol.
3. $m(\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2)=0,025\cdot 44=1,1$ g, iar $V({\mathrm{N}}_2)=0,0125\cdot 22,4=0,28$ L.

Pe un profil energetic, catalizatorul oferă un traseu alternativ cu energie de activare mai mică atât pentru sensul direct, cât și pentru cel invers. Reacția $\mathrm{A}\to \mathrm{B}$ are $\Delta H=-30$ kJ/mol, energia de activare directă $90$ kJ/mol și un catalizator care o coboară la $55$ kJ/mol.

1. Energia de activare inversă este $E_{a,\text{inv}}=E_{a,\text{dir}}-\Delta H=90+30=120$ kJ/mol.
2. Cu catalizatorul, bariera inversă devine $55+30=85$ kJ/mol: ambele bariere scad cu $35$ kJ/mol.
3. $\Delta H$ rămâne $-30$ kJ/mol, deoarece nivelurile reactanților și ale produșilor nu s-au schimbat.

Pentru echilibrul ${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\rightleftharpoons 2N{\mathrm{H}}_3$, cu $\Delta H=-92$ kJ, fierul grăbește atât formarea, cât și descompunerea amoniacului. Echilibrul se stabilește mai repede, dar compoziția la echilibru și constanta de echilibru rămân aceleași, iar randamentul nu crește.

Un amestec de $1$ mol de ${\mathrm{N}}_2$ și $3$ mol de ${\mathrm{H}}_2$ ajunge la echilibru, cu sau fără fier, când $25\%$ din azot s-a transformat. Cu fier, echilibrul se atinge mai repede, dar compoziția este aceeași: reacționează $0,25$ mol de ${\mathrm{N}}_2$ și $0,75$ mol de ${\mathrm{H}}_2$, rămân $0,75$ mol de ${\mathrm{N}}_2$ și $2,25$ mol de ${\mathrm{H}}_2$, se formează $0,50$ mol de $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$, în total $3,50$ mol.

Tip complement grupat: un catalizator:

1. scade energia de activare;
2. deplasează echilibrul spre produși;
3. rămâne neschimbat chimic la sfârșitul reacției;
4. schimbă entalpia reacției.

Variante:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Răspuns corect: B. Catalizatorul oferă un drum cu energie de activare mai mică și se regenerează. Nu deplasează echilibrul (afirmația 2 este falsă), deoarece accelerează la fel reacția directă și pe cea inversă, și nu schimbă nivelurile energetice ale reactanților și produșilor, deci nici entalpia (afirmația 4 este falsă). Viteza, entalpia și compoziția la echilibru sunt mărimi diferite, iar catalizatorul o modifică numai pe prima.

Greșeli frecvente

• Greșit: Catalizatorul mărește masa teoretică de produs.
  Corect: modifică viteza, iar raportul molar al ecuației rămâne același.
• Greșit: Fierul din sinteza amoniacului devine amoniac.
  Corect: catalizatorul de fier este regenerat și nu intră în formula produsului.
• Greșit: Catalizatorul face posibile reacțiile care nu au loc deloc.
  Corect: accelerează numai reacțiile care se produc și fără el, dar lent.
• Greșit: Catalizatorul se consumă și trebuie adăugat în cantitate egală cu a reactantului.
  Corect: se regenerează, deci o cantitate mică acționează asupra unei cantități mari de reactanți.
• Greșit: Un catalizator transformă o reacție endotermă într-una exotermă.
  Corect: efectul termic $\Delta H$ rămâne același cu sau fără catalizator.

Înainte și după