La catalisi eterogenea avviene quando catalizzatore e reagenti si trovano in fasi diverse. Il caso più comune è una reazione di gas o liquidi su una superficie solida: metalli, ossidi, zeoliti, carboni attivi o materiali porosi funzionalizzati.
Il catalizzatore non modifica la termodinamica complessiva della reazione: non cambia \Delta G di equilibrio e non rende spontanea una reazione sfavorita. Modifica invece il percorso cinetico, offrendo una via con energia di attivazione minore e spesso più selettiva.
Passaggi elementari
Un ciclo catalitico eterogeneo comprende in genere:
- trasporto dei reagenti verso la superficie;
- adsorbimento sui siti attivi;
- attivazione o dissociazione dei legami;
- reazione superficiale;
- desorbimento dei prodotti;
- trasporto dei prodotti lontano dalla superficie.
La velocità osservata può essere controllata dalla chimica superficiale oppure dal trasferimento di materia e calore. Questa distinzione è importante nella progettazione di reattori: se il limite è diffusivo, aumentare la quantità di catalizzatore può non aumentare proporzionalmente la conversione.
Modelli cinetici
Due modelli cinetici ricorrenti sono:
Nel modello Langmuir-Hinshelwood entrambi i reagenti sono adsorbiti sulla superficie. Nel modello Eley-Rideal una specie adsorbita reagisce con una specie proveniente dalla fase fluida. Nel meccanismo Mars-van Krevelen, frequente negli ossidi, il reagente viene ossidato dall’ossigeno del reticolo del catalizzatore, che poi viene riossidato da O_2.
Prestazioni e disattivazione
Un catalizzatore eterogeneo si valuta con tre grandezze pratiche:
- attività, cioè capacità di aumentare la velocità di reazione;
- selettività, cioè capacità di favorire il prodotto desiderato;
- stabilità, cioè capacità di mantenere prestazioni nel tempo.
La disattivazione può avvenire per avvelenamento dei siti attivi, sinterizzazione, deposito di coke, occlusione dei pori, trasformazioni di fase o perdita del componente attivo. Nei processi industriali il problema non è solo ottenere alta conversione iniziale, ma mantenere prestazioni riproducibili in condizioni severe.
Esempi e applicazioni
La catalisi eterogenea è alla base della sintesi dell’ammoniaca, della raffinazione petrolifera, dei convertitori catalitici, dell’idrogenazione, dell’ossidazione selettiva, del cracking catalitico e di molte tecnologie ambientali. Le zeoliti sono importanti perché combinano acidità, porosità e selettività di forma.
Un errore comune è immaginare il catalizzatore come un reagente semplicemente “presente” nel sistema. In realtà contano morfologia, area superficiale, dimensione dei pori, dispersione dei siti, stato di ossidazione, acidità, temperatura, pressione e composizione della miscela.
Vedi anche: Catalizzatore chimico, Cinetica chimica, Isoterma di Langmuir, Adsorbimento.