METAIS COMO CATALIZADORES METAIS AMBIENTE E VIDA

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1 METAIS COMO CATALIZADORES METAIS AMBIENTE E VIDA

2 Se somarmos as duas equações, a equação global é O bromo não se consome na reacção, sendo regenerado indefinidamente 2

3 Decomposição do peróxido de hidrogénio catalisada (a) pelo MnO2; (b) pela catalase da batata; (c) pelo ião iodeto. (c) (b) (a) Tal como o grupo heme estas substâncias catalisam a decomposição do peróxido de hidrogénio 3

4 O que é um catalizador? Um catalisador é, geralmente, um metal de transição, um óxido de um metal de transição ou uma enzima nos organismos vivos. Uma excepção é o óxido de alumínio (alumina) usado no cracking dos hidrocarbonetos. Catálise ou reacção catalítica é uma reacção em que participam catalizadores 4

5 Catalisadores de automóveis e poluição Uma importante utilização dos catalisadores é nos conversores catalíticos dos automóveis. Reage rapidamente com oxigénio para formar óxidos de azoto, genericamente designados NO, Estes, conjuntamente com os restantes gases emitidos pelo motor, como o monóxido de carbono e combustível não queimado (hidrocarbonetos), constituem uma das principais fontes de poluição atmosférica. 5

6 Estrutura típica do conversor catalítico de um automóvel Catalizador de três vias Sensor de oxigénio regula a entrada de ar/combustível no motor Platina e ródio (catalisador de redução). Produz redução do NOx a N 2 + O 2 Platina e paládio (catalizador de oxidação).produz a queima completa do combustível ( a H 2 O e CO 2 )e a oxidação do CO a CO 2 cerâmico 6

7 Corte transversal de uma câmara do conversor catalítico de um automóvel. Os catalisadores podem ser envenenados, o que conduz à sua ina tivação. Uma causa comum nos catalisadores heterogéneos é a adsorção irreversível de uma substância à sua superfície, que impede o contacto entre o catalisador e os reagentes. Metais pesados, com destaque para o chumbo, são venenos muito fortes de catalisadores heterogéneos, razão pela qual se deve usar gasolina sem chumbo nos automóveis equipados com converso catalíticos. A eliminação do chumbo traz ainda o benefício de diminuir a quantidade deste elemento libertada para o ambiente. 7

8 Emissões na combustão de 1,8 L de gasolina Emissões na combustão de 1,9 L de gasóleo 8

9 Catalisadores Industriais e Economia - Síntese do Amoníaco - À temperatura ambiente é exotérmica e extensa, e extraordinariamente lenta. A temperaturas elevadas, embora muito mais rápida, é menos favorecida (tal como previsto pelo princípio de Le Chatelier): Kc (calculado) = 3,5 x 10 8 (25 C) Kc (experimental) = 0,16 (450ºC) 9

10 Catalisadores Industriais e Economia - Síntese do Amoníaco - No início do século XX, o químico alemão Fritz Haber desenvolveu um catalisador para esta reacção constituído por Fe 2 O 3 misturado com KOH 1, SiO 2 e Al Este não é eficiente abaixo de 400 C, a reacção é levada a cabo a 450 C, temperatura à qual a reacção, sobretudo na presença do catalisador, é bastante rápida, embora muito pouco extensa. 1 Actua como promotor, uma substância que aumenta a eficiência do catalisador 10

11 Catalisadores Industriais e Economia - Síntese do Amoníaco - 2. Para aumentar a concentração de NH 3 no equilíbrio, a reacção é efectuada a pressão elevada (250 atmosferas ou mais). Este procedimento não altera o valor de Kc mas, de acordo com o princípio de Le Châtelier, um aumento de pressão vai favorecer a reacção directa, na qual 4 moles gasosas são convertidas em duas. 3. A mistura em equilíbrio é passada por uma unidade de refrigeração, onde só o amoníaco condensa, o que contribui para deslocar o sistema ainda mais no sentido da formação do produto. 11

12 Processo de Haber. 12

13 Reactor de alta pressão utilizado no processo 13

14 Catalisadores Industriais e Economia -Síntese do Ácido Nítrico- -Processo de Ostwald- 90% platina, 10% ródio 14

15 Catalisadores Industriais e Economia -Síntese do Ácido Nítrico- -Processo de Ostwald- 15

16 Como actua um catalizador? Homogéneo - se se encontra na mesma fase que os reagentes (enzimas) Heterogéneo se se encontra numa fase diferente dos reagentes São sólidos porosos ou finamente divididos oferecem grande superfície de contacto para que a reacção se dê. Os reagentes são adsorvidos à sua superfície promover a proximidade física entre eles, aumentando a probabilidade de ocorrência de reacção. Enfraquecer as suas ligações tornando-as mais facilmente quebráveis Acelerar a Reacção 16

17 Como actua um catalizador? Teoria da Adsorção Acção do catalisador na síntese do Amoníaco (a) As moléculas de H 2 e N 2 ligam-se à superfície do catalizador (b) esta interacção enfraquece as ligações covalentes e provoca a dissociação das moléculas; (c) os átomos migram à superfície do catalisador, combinando-se para formar moléculas de NH 3, que a abandonam. 17

18 Como actua um catalizador? Teoria das Colisões / Formação Espécies Intermediárias Segundo a Teoria das Colisões, para que duas moléculas reajam uma com a outra, é necessário que colidam. Colisões Eficazes 18

19 Como actua um catalizador? Teoria das Colisões / Formação Espécies Intermediárias 1. Duas orientações relativas possíveis na colisão de duas moléculas de HI favorável desfavorável 19

20 Como actua um catalizador? Teoria das Colisões / Formação Espécies Intermediárias 2. Eficácia das colisões depende da energia das moléculas no momento da colisão. Valor mínimo é a ENERGIA DE ACTIVAÇÃO E a - Perfil Energético da Reacção Ea = =185 Kj/mol Apenas as moléculas com uma energia cinética igual ou superior a Ea e que colidam com uma orientação adequada conseguirão ultrapassar a barreira energética e transformar-se em produtos. 20

21 Como actua um catalizador? Teoria das Colisões / Formação Espécies Intermediárias Perfil Energético da Reacção Inversa A entalpia desta reacção é simétrica da da reacção inversa 21

22 A Teoria do Estado de Transição estabelece que duas moléculas que se aproximam, se tiverem energia suficiente e orientação adequada, formam uma espécie transiente designada complexo activado (ou estado de transição), na qual as ligações originais estão enfraquecidas e as novas ligações apenas parcialmente formadas. 22

23 Como actua um catalizador? 1. Aumentam a velocidade das reacções porque permitem que estas ocorram através de um novo mecanismo, envolvendo a formação de intermediários e estados de transição de menor energia do que o da reacção não catalisada. 2. A diminuição da energia de activação tem como consequência que a fracção de moléculas com energia suficiente para reagir aumente e a reacção se torne mais rápida. 23

24 Como actua um catalizador? Os catalisadores tornam as reacções mais rápidas (porque diminuem a energia de activação), mas não mais extensas. 24

25 Como actua um catalizador? Ciclo catalítico 25

26 Fim da Unidade 1 26