Catálisis
Ejemplos de procesos industriales que utilizan catalizadores heterogéneos
Síntesis de amoniaco
Este proceso fue desarrollado en Alemania alrededor de 1913 y también
se le conoce con el nombre de proceso Haber-Bosch. Durante la Segunda
Guerra Mundial, este proceso era una de las bases de la maquinaria militar
alemana porque el amoniaco era, y sigue siendo, una materia prima clave
en la producción de explosivos.
El catalizador utilizado actualmente es una versión algo mejorada
del original desarrollado por Haber y Bosch. Está compuesto de una
mezcla de óxidos de hierro, con Al2O3 como
promotor estructural y con K2O
como promotor electrónico. El
catalizador se activa en una atmósfera reductora de N2
e H2 la cual reduce una parte del hierro a hierro elemental.
Los venenos del catalizador incluyen:
-
CO2 (probablemente debido a la formación de K2CO3)
-
CO (el cual es buen formador de complejos con Fe0)
-
O2, en presencia de H2 (oxidación o adsorción
de humedad)
Se cree que la reacción sigue un mecanismo de tipo Langmuir-Hinshelwood,
aunque han sido muy pocos los estudios enfocados en la reacción
de síntesis sobre el catalizador de óxido férrico,
debido a la complejidad del sistema.
Proceso de Fischer-Tropsch
Este proceso, al igual que el proceso Haber-Bosch, era otra de las bases
de la máquina militar alemana durante la Segunda Guerra Mundial.
Fue desarrollado alrededor de 1925. Dado que Alemania no posee pozos de
petróleo, era necesario que importara toda su gasolina para consumo
interno. Sin embargo, Alemania sí posee yacimientos de carbón
y su industria producía residuos alquitranosos, los cuales se utilizaron
como materias primas en el proceso Fischer-Tropsch para producir gasolina.
También es posible alterar las condiciones del proceso para producir
metano, etano, metanol o acetaldehído por lo cual es un proceso
muy versátil.
El catalizador más común consiste de una mezcla de Co-Th2O-MgO
con un soporte de Kieselguhr. En general, los metales del grupo 8 son activos,
aunque el orden de reacción y la constante de equilibrio dependen
mucho del soporte.
El mecanismo aceptado consiste de los siguientes pasos:
H2 (g) ----> 2H(ads)
C(ads) + H(ads) ----> CH(ads)
CH(ads) + H(ads) ----> CH2(ads)
crecimiento de cadena:
CH2(ads) + CH3(ads) ----> CH2-CH3(ads)
con oxígeno:
CH3(ads) + CO(ads) ----> CH3-CO(ads)
2H(ads) + CO(ads) ----> H2CO(ads)
----> ----> CH3OH(ads)
Reformación catalítica
La reformación catalítica modifica las propiedades de las
fracciones de petróleo. La reformación produce hidrocarburos
más ramificados, sin alterar el peso molecular promedio de la mezcla.
Esto mejora el octanaje de la gasolina, ya que los hidrocarburos ramificados
se queman mejor que los de cadena lineal. Otros procesos relacionados con
la reformación catalítica son el craqueo (reducción
del peso molecular promedio) y alquilación (crecimiento de cadenas
alquiladas).
El proceso original fue propuesto por Houdry y utilizaba bentonita como
catalizador. Actualmente se utilizan aluminosilicatos sintéticos
y las zeolitas. Con las zeolitas, se tiene la ventaja de poder controlar
la selectividad de la reacción eligiendo un tamaño de poro
distinto.
El mecanismo para la introducción de ramificaciones pudiera encuadrarse
dentro de las transposiciones de Wagner-Meerwein, esto es, transposiciones
1,2 a un centro deficiente en electrones (para una descripción más
completa, véase cualquier libro de texto elemental de química
orgánica, tal como el "Cram y Hammond" o el "Morrison and Boyd").
Ya que los alcanos no poseen buenos grupos salientes, la generación
del carbocatión debe darse por adsorción sobre un sitio muy
ácido de la superficie del catalizador. Suficientemente ácido
como para arrancar un anión hidruro de un hidrocarburo, lo cual
implica que el sitio activo tenga un pKa < -12. Otra posibilidad es
la ruptura heterolítica de un enlace C-C, aunque es difícil
creer que dos especies tan reactivas como un carbocatión y un carbanión
no se recombinen inmediatamente.
Hidrogenación del etileno
Es ciertamente paradójico que se sepa tan poco sobre el mecanismo
de un proceso de tanta aplicación como es la hidrogenación
del etileno. El mecanismo normalmente aceptado es el propuesto originalmente
por Horiuti y Polanyi (alrededor de 1934):
H2 (gas) ----> 2H(ads)
H2C=CH2 (gas) ----> H2C=CH2 (ads)
H2C=CH2 (ads) + H(ads) ----> H3C-CH2
(ads)
H3C-CH2 (ads) + H(ads) ----> H3C-CH3
(ads)
aunque es discutible el que el enlace H-H se rompa al adsorberse dado
que, en condiciones de laboratorio, se ha encontrado que la adición
produce estereoespecificidad sin. Se han utilizado numerosos
metales de transición como catalizadores, entre ellos: Ni, Cu, Pt,
Rh, Fe, Cr, Ir.
Si consideramos otras especies insaturadas, encontramos que la facilidad
de hidrogenación es (en orden de menor a mayor dificultad):
-
Triples enlaces y dobles enlaces aislados
-
Dobles y triples enlaces conjugados o que forman parte de un sistema aromático
-
Grupos carbonilos de aldehídos y cetonas
-
Derivados de ácidos carboxílicos (sólo a altas temperaturas)
Los triples enlaces se hidrogenan más rápidamente que los
dobles y, en muchas ocasiones, es posible desactivar parcialmente un catalizador
para que reduzca triples enlaces sin afectar los dobles enlaces producidos.
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Ultima actualización de esta página: 22 de septiembre
de 1999
Encargado de la página: Dr. Víctor Manuel Rosas García.
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Facultad de Ciencias Químicas
Universidad Autónoma de Nuevo León
San Nicolás de los Garza, NL, México