Em química, falamos de catálise heterogênea quando o catalisador e os reagentes estão em várias fases . Normalmente o catalisador é sólido e os reagentes são gasosos ou em solução aquosa . A catálise heterogênea é de importância primária em muitas áreas da indústria química e do setor de energia. A importância da catálise heterogênea é destacada pelos prêmios Nobel para Fritz Haber em 1918, Carl Bosch em 1931, Irving Langmuir em 1932 e Gerhard Ertl em 2007.
O catalisador, no estado sólido , catalisa uma reação na fase líquida ou na fase gasosa .
A reação ocorre na interface entre a fase sólida e a fase gasosa. Portanto, será tanto mais eficiente quanto esta superfície for importante. Por esta razão, os catalisadores geralmente têm superfícies específicas muito grandes. Também é possível maximizar a razão entre a superfície de contato do catalisador e a massa de catalisador empregada, dispersando este catalisador em outro sólido, como uma espuma de cerâmica, que servirá de suporte para ele.
Na maioria das aplicações industriais, esse tipo é usado. De fato, neste tipo de processo, o catalisador pode ser recuperado por simples filtração ou fixado em um fluxo de reagente. Isso permite recuperá-lo facilmente para poder reutilizá-lo, mas também evitar operações de separação do catalisador dos produtos no final da reação.
A reação de catálise heterogênea ocorre de acordo com um esquema contendo várias etapas (geralmente sete).
As sete etapas são as seguintes:
No caso da oxidação de hidrocarbonetos em óxidos, P. Mars e DW van Krevelen propuseram um mecanismo do tipo redox. Nesse caso, a espécie reativa é um átomo de oxigênio da rede de óxidos (na forma de O 2- ) que reage com o hidrocarboneto. Esse oxigênio é então regenerado pela chegada de oxigênio da fase gasosa.
Nesse tipo de mecanismo, a reação ocorre entre espécies adsorvidas na superfície do catalisador. Isso significa, portanto, que as espécies necessárias para uma reação estão presentes na superfície do catalisador. Isso não significa que todas as espécies envolvidas na reação devam estar presentes. No caso de reações envolvendo várias espécies e várias etapas, o substrato pode se mover na superfície do catalisador e também dos reagentes. No caso da oxidação de compostos orgânicos voláteis , esse mecanismo envolve uma reação de superfície entre o oxigênio e o VOC. Ambos são adsorvidos em sites ativos do mesmo tipo. A adsorção de oxigênio e VOC pode ou não ser dissociativa com a possível competição dos reagentes entre eles.
Ao contrário do mecanismo anterior, aqui a reação ocorre entre uma espécie adsorvida na superfície do catalisador e uma espécie não adsorvida. Ainda no caso da oxidação catalítica de VOCs, apenas o VOC ou oxigênio é adsorvido na superfície do catalisador, o que permite dizer que a reação ocorre entre uma molécula de VOC adsorvido e uma molécula de oxigênio na fase gasosa. ou o contrário.
Embora a maioria dos catalisadores heterogêneos sejam sólidos, existem muitas variações.
Fase de reação | Exemplos dados | Comente |
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sólido + gás | Síntese de amônia a partir de N 2 + H 2 em catalisadores à base de ferro | |
sólido + solução | Hidrogenação de ácidos graxos com níquel | Usado para fazer margarina |
fases líquidas imiscíveis | Hidroformilação de propeno | Catalisador na fase aquosa, reagentes e produtos principalmente na fase não aquosa |
Processo industrial | Reagentes, produto (s) | Catalisador (es) | Comente |
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Síntese de ácido sulfúrico | SO 2 + O 2 , SO 3 | pentóxido de vanádio | Hidratação de SO 3 para produzir H 2 SO 4 |
Síntese de amônia
( Processo Haber ) |
N 2 + H 2 , NH 3 | ferro modificado com hidróxido de potássio | Cerca de 80% da produção de NH 3 é utilizada na fabricação de fertilizantes e 10% na produção de ácido nítrico. |
Síntese de ácido nítrico | NH 3 + O 2 , HNO 3 | Tecidos Pt - Rh | rotas diretas de N 2 não são econômicas |
Produção de gás de síntese por reforma do metano | CH 4 + H 2 O, H 2 + CO 2 | níquel suportado em alumina | Rotas mais ecológicas para H 2 por divisão de água são ativamente buscadas |
Síntese de metanol
( Processo ICI e processo Lurgi ) |
CO + H 2 , CH 3 OH | CuO / ZnO / Al 2 O 3 | CH 3 OH é um intermediário na indústria química e para a produção de combustíveis líquidos |
Síntese de óxido de etileno | C 2 H 4 + O 2 , C 2 H 4 O |
prata metálica suportada em alumina ,
(com muitos promotores ) |
mal aplicável a outros alcenos |
Craqueamento catalítico | C n H 2n + 2 , C m H 2m + 2 + C 3 H 6 | catalisador ácido | aumenta a qualidade da gasolina produzida |
Isomerização | pentano - hexano , parafinas substituídas | ou uma alumina clorada contendo 0,3% de platina , ou um zeólito do tipo mordenita também contendo Pt) | produzir parafinas substituídas ( alto índice de octanagem ) |
Dessulfurização de petróleo ( hidrodessulfurização ) | H 2 + hidrocarboneto de sulfureto, RH + H 2 S | Mo - Co em Al 2 O 3 | produz hidrocarbonetos com baixo teor de enxofre, enxofre recuperado pelo Processo Claus |