III.4.3. Influența catalizatorilor asupra vitezei de reacție.

În 1835, Jöns Jakob Berzelius observă că o serie de reacții chimice au loc numai în prezența unor anumite substanțe, care însă în timpul reacției nu se consumă sau nu-și schimbă compoziția chimică.

În 1900, Wilhelm Ostwald definește catalizatorul ca o substanță în prezența căreia este mărită viteza reacției chimice, fără ca ea să se consume sau să influențeze echilibrul termodinamic al reacției chimice.

Majoritatea reacțiilor chimice cu importanță practică (aproximativ 85%) sunt procese catalitice. Fără catalizatori anumite reacții chimice ar fi foarte lente sau nu ar avea loc.

Catalizatorii cresc viteza de reacție, atât a reacției directe, cât și a celei inverse (proprietatea nr. 1 a catalizatorilor).

Catalizatorii nu deplasează echilibrul chimic, ci grăbesc atingerea acestuia, scăzând energia de activare (Ea) a reacției chimice.

Catalizatorii nu se consumă în timpul reacțiilor, dar acest lucru nu înseamnă neparticiparea lor la reacție (proprietatea nr. 2 a catalizatorilor).

Se consideră că în timpul reacției structura catalizatorului se schimbă, însă se reface în finalul reacției chimice. Reacția dintre reactanții A și B și catalizatorul K are loc în două etape după modelul:

A + K → AK ; E_a1

AK + B → AB; E_a2

E_a1 + E_a2 < E_a

Prezența catalizatorului determină un ciclu de procese la sfârșitul căruia catalizatorul apare în forma lui inițială.

👀 Experiment: Influența catalizatorilor asupra vitezei de reacție

Materiale necesare:
Apă oxigenată, dioxid de mangan, așchii de brad, chibrit, vase Petri.

Descrierea experimentului:

• Pune în două vase Petri același volum de apă oxigenată.
• Un vas lasă-l descoperit și cronometrează timpul în care apar bulele de oxigen în urma descompunerii apei oxigenate.

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ ↑

• În celălalt vas Petri adaugă un vârf de spatulă de dioxid de mangan, drept catalizator. Identifică oxigenul degajat cu ajutorul unei așchii cu puncte incandescente.
• Ce observi ?

  Apa oxigenată în prezența catalizatorului de MnO₂ degajă imediat și abundent oxigen, care aprinde așchia de brad.

Concluzia experimentului:

Catalizatorii măresc viteza de reacție prin micșorarea energiei de activare a reacției chimice.

O altă caracteristică importantă a catalizatorilor este selectivitatea manifestată prin faptul că au capacitatea de a favoriza numai o anumită reacție, din mai multe posibile.

De exemplu, etanolul poate forma compuși diferiți în funcție de catalizatorul reacției:

Clasificarea catalizatorilor:

- Catalizatori fizici:

• cărbune de lemn fin divizat
• cărbune animal fin divizat

- Catalizatori chimici :

• Acizi (H3O⁺) pentru reacții de hidroliză, esterificare, eterificare etc.
• Bazici (OH^–) pentru reacții de saponificare, reducere etc.
• Săruri (Mn, Ce, W, Mo) pentru reacții de oxidare
• Metale (Fe, Co, Ni) pentru reacţii de reducere
• Oxizi anhidri (Al₂O₃, V₂O₅, TiO₂) pentru reacții de deshidratare, esterificare, dehidrogenare

- Catalizatori biochimici în reacţii de hidroliză, redox, acido-bazice:

• Enzime
• Vitamine
• Hormoni.

Cataliza poate fi: omogenă, eterogenă și autocataliza.

- Cataliza omogenă are loc atunci când reactanţii şi catalizatorul se găsesc în aceeaşi fază (lichidă/gazoasă).

Exemple: Catalize în soluție

• descompunerea acidului formic (HCOOH) în prezența H₂SO₄;
• reacția de saponificare, care este o reacție de hidroliză bazică a grăsimilor, cu obținerea săpunurilor;
• hidroliza acidului acetilsalicilic (aspirina este un antiinflamator nesteroidian,
• hidroliza novocainei (procaina este un anestezic local);
• esterificarea cu alcool etilic în cataliză omogenă (cu acid sulfuric) a acidului p-nitrobenzoic pentru obţinerea anestezinei (anestezic local);
• NO catalizează reacţia de descompunere a ozonului în straturile superioare ale atmosferei.

- Cataliza eterogenă în care reactanţii şi catalizatorul se află în stări de agregare diferite. Catalizatorul este solid iar reactanţii sunt gazoşi sau lichizi. Reacţiile se desfăşoară la suprafaţa catalizatorului solid, la suprafața de contact dintre catalizator și reactant.

Exemple de catalize eterogene :

• hidrogenarea catalitică a D-glucozei în procesul industrial de obținere a acidului ascorbic (vitamina C este antiscorbutică), la temperatură și presiune, pe un catalizator de Ni;
• obținerea industrială a vitaminei PP (acidul nicotinic este utilizat contra pelagrei, iar lipsa lui generează sindromul 3D-diaree, dermatită, demență-) printr-un proces de cataliză eterogenă a amonolizei oxidative a 3-picolinei.
• esterificarea acidului p-nitrobenzoic cu obținerea anestezinei (p-amino-benzoatul de etil este folosit ca anestezic local);
• dehidrogenarea unor alcani pe catalizatori metalici;
• oxidarea amoniacului pe catalizatori metalici;
• reacțiile de hidratare sau deshidratare a unor compuși organici pe catalizatori de oxizi metalici etc.

- Autocataliza apare când unul dintre produșii intermediari sau unul dintre produșii de reacție pot exercita acțiune catalitică asupra procesului chimic. De exemplu, hidroliza esterilor este catalizată de ionii hidroniu puși în libertate de acidul azotic rezultat și ionizat în soluție. Reacția este autocatalizată prin formarea acidului azotic :

C₂H₅ONO₂ + H₂O → HNO₃ + C₂H₅OH

🤔 Pentru curioși

Ce sunt catalizatorii auto ?

Un catalizator auto este capabil sa convertească 98% dintre gazele dăunătoare din eșapament în gaze mai curate, înainte de a fi eliberate în atmosferă. Gazele cele mai nocive pe care le emite un motor termic sunt monoxidul de carbon, monoxidul de azot, hidrocarburile nearse, precum și alte substanțe adicacente.

În interiorul catalizatorului, gazele circulă printr-o structură densă de tip fagure din ceramică și căptușită cu catalizatori și straturi izolatoare.

Deoarece este localizat în apropierea motorului, metalele din interiorul catalizatorului (platina, rodiu si paladiu) se încălzesc la temperaturi mari și cauzează o reacție chimică ce descompune gazele toxice și le convertește în dioxid de carbon, vapori de apă, dioxid de azot etc.

Unele substanțe adăugate reactanților pot modifica activitatea catalizatorilor, respectiv viteza de reacție, astfel :

- Promotorii sunt substanțe care măresc considerabil activitatea catalizatorilor.

- Otrăvurile sunt substanțe care micșorează sau chiar anulează activitatea catalizatorilor.

- Inhibitorii sunt substanțe care micșorează viteza de reacție, acționând asupra reactanților și nu asupra catalizatorilor. De exemplu, acidul ascorbic (vitamina C) împiedică reacția de oxidare a fructelor și legumelor tăiate (care se înnegresc când sunt lăsate în aer fără adăugarea de vitamina C).

👀 Experiment: Ce este un inhibitor?

Materiale necesare:
Cartof (măr, piersică), cuțit, suc de lămâie (vitamina C efervescentă).

Descrierea experimentului:

• Taie dintr-un cartof două felii.
• O felie înmoai-o în apă și las-o pe farfurie în aer.
• A doua felie înmoai-o în suc de lămâie (soluție de vitamina C).
• Ce observi după un anumit timp ?

  Felia de cartof inmuiată în apă s-a înnegrit, iar cea înmuiată în suc de lămâie și-a păstrat culoarea.

Înnegrirea unor fructe și legume tăiate se datorează unei reacții de oxidare în aer, sub acțiunea unei enzime numită tirozinază. Sucul de lămâie conține acid ascorbic (vitamina C) care împiedică această reacție de oxidare, acționând ca inhibitor.

Inhibitorii sunt substanțe care micșorează viteza de reacție, acționând asupra reactanților și nu asupra catalizatorilor.

Exemple de inhibitori sunt conservanții, care se adaugă unor produse (alimente, băuturi, medicamente, cosmetice etc.), cu scopul de a preveni descompunerea acestora prin inhibarea dezvoltării microorganismelor sau de a încetini reacțiilor de oxidare. Cei mai cunoscuți conservanți sunt : acidul lactic (din murături), acidul benzoic și sărurile lui (pentru sucuri, gemuri, murături etc.), azotiții/nitriții și azotații/nitrații (în carne și mezeluri), acid propionic și propionat de sodiu (în produse coapte), acid ascorbic/vitamina C (antioxidant pentru uleiuri, brânzeturi sau chips-uri) etc.

🤔 Pentru curioși

Catalizatorii metabolici sunt suplimente alimentare care contribuie la arderea excesul de grăsimi din organism. Utilizarea acestor suplimente poate interfera cu metabolismul sau cu sănătatea generală. Există diferite tipuri de catalizatori metabolici. Unii folosesc cafeina și alți stimulenți pentru a crește rata metabolică, prin urmare, să ardă mai multe calorii pe parcursul zilei.

Catalizatorii metabolici funcționează prin creșterea tensiunii arteriale, creșterea cheltuielilor totale de energie și creșterea metabolismului, ceea ce poate duce la pierderea în greutate. Este dovedit că administrarea acestor suplimente ar putea duce la hipertensiune arterială.

• Cafeina este un ingredient comun, deoarece stimulează sistemul nervos central și ajută la arderea caloriilor. Suplimentele pot conține mai multă cafeina decât cafeaua, ceaiul sau ciocolata.

• Ceaiul verde este, de asemenea, un ingredient comun, deoarece ajută la arderea caloriilor și la reducerea grăsimilor pe care le absorbi din alimente.

• Carnitina este un compus care stimulează metabolismul și oferă energie.

• Fibrele ajută la controlul apetitul, iar fibrele solubile ajută la prevenirea absorbției de grăsime din alimente.

Unele suplimente de tip catalizatori metabolici pot afecta funcția hepatică. Unele ierburi, cum ar fi edera, poate provoca hipertensiune arterială, schimbări de dispoziție, ritm cardiac neregulat, accident vascular cerebral, convulsii și atacuri de cord.