Catálise Heterogênea

Universidade Estadual de Goiás
UnUCET - Anápolis
Química Industrial
Físico-Química Experimental II
Catálise Heterogênea
Alunos: Bruno Ramos;
Wendel Tiago Mendes.
Professor: Ademir João Camargo
Anápolis, 2005.
1. Introdução
1.1 Catálise Heterogênea
Um catalisador é uma substância que, adicionada ao sistema reacional, altera a velocidade
da reação até o atingimento do equilíbrio químico. Ele interage com os reagentes de
maneira cíclica, promovendo, talvez, várias reações a nível atômico ou molecular, mas não é
consumido.
Um catalisador muda a energia de ativação de uma reação, Ea, por promover um caminho
alternativo para ela. A velocidade e a constante de velocidade k de uma reação se
relacionam à Ea pela equação de Arrhenius:
k = A exp (- Ea / R T)
Onde A é a constante relacionada à velocidade das colisões. Portanto, uma mudança em Ea
altera a velocidade de uma reação.
Um catalisador na mesma fase dos reagentes (geralmente líquida ou gasosa) é chamado de
catalisador homogêneo.
Um catalisador que está numa fase diferente daquela dos reagentes é chamado de
catalisador heterogêneo ou de contato. Esse tipo de catalisador consiste de materiais
com a capacidade de adsorver moléculas de gases ou líquidos em suas superfícies. Um
exemplo de catálise heterogênea é o uso de platina finamente dividida na reação de
monóxido de carbono com oxigênio para formar dióxido de carbono. Essa reação é usada
em conversores catalíticos instalados em automóveis para eliminar o monóxido de carbono
dos gases exauridos.
Promotores não são por si catalisadores, mas aumentam a efetividade de um catalisador.
Por exemplo, a alumina Al2O3 é adicionada ao ferro finamente dividido para aumentar a
habilidade do ferro em catalisar a formação da amônia a partir de uma mistura de hidrogênio
e nitrogênio. Um veneno reduz a eficácia de um catalisador. Por exemplo, compostos com
chumbo envenenam a habilidade da platina como catalisadora. Por isso a gasolina
“chumbada” não deve ser usada em automóveis equipados com conversores catalíticos.
2
Como catalisadores heterogêneos são comumente usados em reações a altas
temperaturas, eles geralmente apresentam alto ponto de fusão (materiais refratários), ou
então são suportados por materiais refratários, como a alumina.
As superfícies sólidas oferecem um potencial de atração às moléculas de gases e líquidos
(devido aos defeitos dos sólidos). A adsorção ocorre conforme moléculas são atraídas à
superfície, e quando elas penetram através do material, ocorre a absorção. A absorção sem
formação de ligações químicas (ou sem quebra delas) é chamada de absorção física ou
fisissorção. Quando envolve a formação ou quebra de ligações químicas, diz-se que ocorre
uma quimissorção.
Os metais mais utilizados são os de transição. As características mais comuns deles são a
presença de elétrons d e, em muitos deles, nos seus orbitais d incompletos. Como
resultado, os metais de transição formam compostos de estados de oxidação variáveis.
Assim, esses metais são bancos de elétrons que “emprestam” elétrons na hora certa, e os
reservam para espécies químicas em outros casos.
A força da quimissorção varia entre os metais. De forma geral, ela é mais forte para os
metais da esquerta, e decresce para os metais de transição em um período conforme
aumenta o número atômico:
Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd
La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg
As quimissorções são muito fortes para os grupos do Sc, Ti, V, Cr e Mn; e esses metais não
são catalisadores muito efetivos.
.
2. Objetivos
1) Determinar experimentalmente a influência do catalisador na velocidade de reação
da decomposição da solução de hipoclorito de sódio.
2) Determinar a influência da concentração dos reagentes e da temperatura na
velocidade da reação.
3. Metodologia
3
Primeiramente montou-se
a aparelhagem
utilizada para medir
a velocidade de
decomposição do hipoclorito de sódio.
Parte 1: Velocidade de Decomposição a Temperatura Ambiente
Mediu-se cuidadosamente 20,0 mL da solução de hipoclorito de sódio, em uma proveta
graduada. E depois determinou-se a sua temperatura transferindo, em seguida, para um
erlenmeyer.
Transferiu-se 3,0 mL da solução de nitrato de cobalto (Co(NO3)3) para um tubo de ensaio e
introduziu-o cuidadosamente no mesmo erlenmeyer, sem que seu conteúdo fosse
derramado.
Abriu-se a pinça metálica e encheu-se a mangueira que dá para a proveta graduada de 50,0
mL, separando a mangueira que está ligada à conexão de vidro, inserida no segundo
erlenmeyer. Assim, logo que a mangueira encheu-se de água, fechou-se a pinça.
Em seguida, fez-se todas as ligações e verificou-se se as rolhas estavam bem apertadas
nos erlenmeyers. Então, retirou-se a pinça e verteu-se a solução de Co(NO3)3 no tubo de
ensaio, e a partir deste momento começou-se a marcar o tempo.
Finalmente, registrou-se o tempo gasto para a água atingir a marca de 30,0 mL na proveta.
Parte 2: Velocidade de decomposição acima da temperatura ambiente
O mesmo experimento foi realizado a cerca de 10 °C acima da temperatura ambiente. Para
isso, as soluções foram aquecidas em um banho-maria
Parte 3: Velocidade de decomposição abaixo da temperatura ambiente
O mesmo experimento foi realizado a cerca de 10°C abaixo da temperatura ambiente. Para
isso, as soluções foram resfriadas em um banho de gelo.
4. Resultados e Discussão
Os tempos gastos em cada parte para transferência da água do segundo erlenmeyer para a
proveta (30,0 mL), foram:
Parte 1: 4 min
Parte 2: 2 min
Parte 3: 6 min
4
A água transferida para a proveta é expulsa do erlenmeyer graças à geração de gás
oxigênio (O2) pela reação catalisada:
2 OCl-(aq) -> O2(g) + 2 Cl-(aq)
O catalisador, neste caso, é o oxido de cobalto (Co2O3), o qual é formado segundo a
seguinte reação que ocorre no erlenmeyer 2:
2 Co3+(aq) + OCl-(aq) + 2H2O(l) -> Co2O3(s) + 4H+(aq) + Cl-(aq)
5. Conclusão
Pela interpretação dos resultados, conclui-se que a temperatura é diretamente proporcional
à velocidade da reação, e o catalisador desempenha um papel de fundamental importância,
aumentando também a velocidade da reação, através da diminuição brusca da energia de
ativação.
6. Bibliografia
Heterogeneous Catalysts: A Study Guide – Disponível online em: http://catal.snu.ac.kr/. Acessado
em 02.10.05
5