14.4: Catalizadores Heterogéneos

Catálisis heterogénea

En catálisis heterogénea, el catalizador se encuentra en una fase diferente a la de los reactivos. Al menos uno de los reactivos interactúa con la superficie sólida en un proceso físico llamado adsorción de tal manera que un enlace químico en el reactivo se debilita y luego se rompe. Los venenos son sustancias que se unen irreversiblemente a los catalizadores, evitando que los reactivos se adsorban y, por lo tanto, reducen o destruyen la eficiencia del catalizador.

Un ejemplo de catálisis heterogénea es la interacción del gas hidrógeno con la superficie de un metal, como Ni, Pd o Pt. Como se muestra en la parte (a) de la Figura\(\PageIndex{2}\), los enlaces hidrógeno-hidrógeno se rompen y producen átomos de hidrógeno adsorbidos individuales en la superficie del metal. Debido a que los átomos adsorbidos pueden moverse en la superficie, dos átomos de hidrógeno pueden colisionar y formar una molécula de gas hidrógeno que luego puede salir de la superficie en el proceso inverso, llamado desorción. Los átomos de H adsorbidos en una superficie metálica son sustancialmente más reactivos que una molécula de hidrógeno. Debido a que el enlace H—H relativamente fuerte (energía de disociación = 432 kJ/mol) ya se ha roto, la barrera energética para la mayoría de las reacciones de _H2 es sustancialmente menor en la superficie del catalizador.

Figura\(\PageIndex{1}\): Hidrogenación de etileno sobre un Catalizador Heterogéneo Cuando una molécula de hidrógeno se adsorbe a la superficie del catalizador, el enlace H—H se rompe y se forman nuevos enlaces M—H. Los átomos de H individuales son más reactivos que H ₂ gaseosos. Cuando una molécula de etileno interactúa con la superficie del catalizador, reacciona con los átomos de H en un proceso paso a paso para producir eventualmente etano, que se libera. (CC BY-NC-SA; anónimo)

La figura\(\PageIndex{1}\) muestra un proceso denominado hidrogenación, en el que se añaden átomos de hidrógeno al doble enlace de un alqueno, como el etileno, para dar un producto que contiene enlaces sencillos C-C, en este caso etano. La hidrogenación se utiliza en la industria alimentaria para convertir los aceites vegetales, que consisten en cadenas largas de alquenos, en derivados sólidos más valiosos comercialmente que contienen cadenas alquílicas. La hidrogenación de algunos de los dobles enlaces en aceites vegetales poliinsaturados, por ejemplo, produce margarina, un producto con punto de fusión, textura y otras propiedades físicas similares a las de la mantequilla.

Varios ejemplos importantes de reacciones catalíticas heterogéneas industriales se encuentran en la Tabla\(\PageIndex{1}\). Aunque los mecanismos de estas reacciones son considerablemente más complejos que la simple reacción de hidrogenación aquí descrita, todos implican la adsorción de los reactivos sobre una superficie catalítica sólida, la reacción química de las especies adsorbidas (a veces a través de varias especies intermedias), y finalmente desorción de los productos de la superficie.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Algunas reacciones comercialmente importantes que emplean catalizadores heterogéneos

Proceso Comercial	Catalizador	Reacción Inicial	Producto Comercial Final
proceso de contacto	V 2 O 5 o Pt	2SO 2 + O 2 → 2SO 3	H 2 SO 4
Proceso Haber	Fe, K 2 O, Al 2 O 3	N 2 + 3H 2 → 2NH 3	NH 3
Proceso de Ostwald	Pt y Rh	4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O	HNO
reacción de cambio de agua-gas	Fe, Cr 2 O 3, o Cu	CO + H 2 O → CO 2 + H 2	H 2 para NH 3, CH 3 OH y otros combustibles
reformado con vapor	Ni	CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2	H 2
síntesis de metanol	ZnO y Cr 2 O 3	CO + 2H 2 → CH 3 OH	CH 3 OH
Proceso Sohio	fosfomolibdato de bismuto	\(\mathrm{CH}_2\textrm{=CHCH}_3+\mathrm{NH_3}+\mathrm{\frac{3}{2}O_2}\rightarrow\mathrm{CH_2}\textrm{=CHCN}+\mathrm{3H_2O}\)	\(\underset{\textrm{acrylonitrile}}{\mathrm{CH_2}\textrm{=CHCN}}\)
hidrogenación catalítica	Ni, Pd o Pt	RCH=CHR′ + H2 → RCH 2 —CH 2 R′	aceites parcialmente hidrogenados para margarina, y así sucesivamente