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Os metais como catalisadores
O que é um catalisador?
Um catalisador é um material que altera o mecanismo da reação fazendo com
que um determinado processo seja substituído por um ou mais processos, com maior
velocidade, em ambos os sentidos.
Mas este não se consome durante a reação, permanecendo quimicamente
inalterado. Como também não aumenta o rendimento da reação, nem altera a constante
de equilíbrio (extensão da reação). Mas faz com que o estado de equilíbrio seja atingido
mais rapidamente (diminui as energias de ativação envolvidas).
Normalmente os catalisadores são um metal de transição, um óxido de um metal
de transição ou uma enzima nos organismos vivos, se bem que existem algumas
exceções.
Alguns dos papéis dos catalisadores na sociedade atual.
A resolução de alguns dos maiores problemas da sociedade atual requer soluções
onde os catalisadores têm um papel muito importante:
 Necessidade de equilíbrio entre a produção industrial e o ambiente;
 Otimização da utilização para os combustíveis;
 Produção de combustíveis "mais limpos";
 Produção de energia mais económica;
 Redução das emissões de C02 e de outros gases que entram na composição do
efeito de estufa;
 Otimização dos custos de produção;
 Etc.
Os catalisadores são também usados na indústria química, na produção de energia,
nas refinarias, em diferentes sínteses, na agroquímica, nos processos farmacêuticos, na
produção de polímeros e de outros materiais e em biotecnologia.
Catalisadores de automóveis e poluição.
Os gases de escape são uma mistura complexa de vários compostos, havendo, no
entanto, a predominância de três tipos de componentes:
 Monóxido de carbono (CO) da combustão parcial dos hidrocarbonetos;
 Compostos orgânicos voláteis (VOC), da reação parcial dos hidrocarbonetos;
 Óxidos de azoto, NOx, proveniente das reações entre o azoto atmosférico e o
oxigénio do ar.
Um conversor catalítico é uma caixa de aço inoxidável montada no sistema de
exaustão de um veículo que contém no interior um catalisador num suporte cerâmico ou
metálico que o protege de vibrações ou choques.
O catalisador não é um filtro. Como o nome indica, a sua função é catalisar ou
modificar a composição química dos gases de escape, reduzindo a sua toxicidade para a
saúde e o ambiente. Dentro do catalisador há uma estrutura cerâmica composta de
milhares de pequenos canais, que lembram uma colmeia de abelhas, por onde os gases
passam e vão reagindo. Os gases percorrem os interstícios do catalisador em contacto
com metais nobres como a platina e o ródio.
A catálise redutora
É o primeiro estádio do conversor catalítico: usa a platina e o ródio para reduzir
as emissões de NOx. Quando moléculas de NO ou de N02 entram em contacto com o
catalisador, este quebra as ligações dos átomos de azoto nas moléculas, adsorvendo-os
na sua superfície e deixando livre os átomos de oxigénio para formarem O2. Os átomos
de azoto ligam-se, então, uns aos outros, formando N2.
Por exemplo:
A catálise oxidante
E o segundo estádio do conversor catalítico: oxida os hidrocarbonetos que não
sofreram combustão e o monóxido de carbono através da passagem num leito
catalisador de platina e paládio, segundo o esquema:
Sistema de controlo
É o terceiro estádio do conversor catalítico: monitoriza os gases de saída e usa a
informação para controlar o sistema de injeção de combustível; um sensor de oxigénio
montado na corrente gasosa entre o motor e o conversor indica ao motor qual a
quantidade de oxigénio, através da relação ar/combustível, que vai permitir trabalhar
numa relação próxima da relação estequiométrica.
Catalisadores industriais e economia
Síntese do amoníaco
A necessidade e o desejo de fixar o azoto para fazer explosivos, bem como
fertilizantes, conduziram ao desenvolvimento dos processos químicos para produzir
amoníaco, ácido nítrico e nitratos.
Os processos primitivos (1900-1920) eram o processo de Arco e o processo da
cianamida, os quais requeriam elevada quantidade de energia e não eram competitivos
em relação ao posterior processo de Haber-Bosch.
Haber descobriu que o ferro, Fe, em conjunto com o óxido de potássio, K2O, e o
óxido de alumínio, Al2O3, catalisava a reação eficazmente a 500 oc e à pressão normal:
as moléculas de reagente são adsorvidas na superfície do catalisador, o que enfraquece
as ligações N≡N e H—H, favorecendo a ocorrência da reação.
No processo moderno de produção do amoníaco todos os passos necessários à
obtenção do hidrogénio a partir do gás natural (o azoto obtém-se do ar) são também
catalisados por metais (níquel).
Produção de ácido nítrico (processo de Ostwald)
Friedrich Wilhelm Ostwald descobriu, em 1900, o procedimento para a
preparação do ácido nítrico por oxidação do amoníaco, facilitando deste modo a
produção massiva de fertilizantes e explosivos pela Alemanha durante a Primeira
Guerra Mundial.
Os vapores de
amoníaco eram misturados
com ar comprimido (10%
e 90%, respetivamente) e a
mistura pressurizada
passava por uma mistura
catalítica de 90% de
platina e 10% de ródio,
conseguindo-se uma
conversão de cerca de
96%.
O monóxido de diazoto (N20, óxido nitroso) também se forma no estádio de
oxidação do amoníaco e é difícil de remover. Para evitar a formação deste composto é
necessário um controlo rigoroso das condições de operação para se poder reduzir as
emissões de N20 em cerca de 80-90%:
 O uso de um catalisador adicional, no estádio de oxidação do amoníaco, para
decompor o N2O;
 O uso de um redutor catalítico do N2O no gás de saída.
Catalisadores biológicos: enzimas e a química da vida
No nosso organismo alguns processos biológicos como a digestão demorariam
anos sem a presença de enzimas (catalisadores biológicos).
As enzimas são proteínas que aceleram uma reação bioquímica e a sua estrutura
determina a "forma" do seu centro ativo e, consequentemente, sobre que substrato
(reagente) pode atuar.
Em que:
 Os substratos (reagentes) são compostos que existem no organismo e que vão
reagir quimicamente;
 A enzima é o catalisador que fará com que a reação se dê mais facilmente;
 O produto é o composto que se irá formar na reação.
Efeito da temperatura na velocidade das reações enzimáticas
As enzimas realizam o seu trabalho sob a gama de temperaturas que prevalece
na célula e que nos organismos vivos é a temperatura do corpo. Se a temperatura for
demasiado alta, a enzima não conseguirá que a reação se dê.
Isto acontece porque a temperaturas elevadas a molécula de proteína que é a
enzima pode começar a desintegrar-se (desnaturar-se) à medida que as ligações se
quebram e a sua superfície pode perder a forma correta para encaixar o substrato.
As enzimas têm uma temperatura ótima em que atuam melhor e que depende do
ser vivo onde se encontram.
 Até atingir a temperatura ótima, a velocidade da reação aumenta porque mais
moléculas passam a ter energia suficiente para ultrapassar a energia de ativação.
 A velocidade da reação não é nula à temperatura de 0 oc, por isso as enzimas
continuam a atuar mesmo no frio (os alimentos estragam-se mesmo no
frigorífico), mas fazem-no muito mais lentamente, devido à dificuldade de
difusão da enzima e do substrato na rede cristalina do gelo.
 Acima da temperatura ótima, a velocidade decresce à medida que cada vez mais
moléculas de enzimas se desnaturam. A energia térmica quebra as ligações de
hidrogénio, destruindo a estrutura terciária da enzima de tal modo que esta (e
especialmente os centros ativos) perdem a sua forma. O substrato já não
consegue estabelecer a ligação ao centro ativo e a reação deixa de estar
catalisada.
Efeito do pH na velocidade das reações enzimáticas
O pH do ambiente celular determina o modo como a enzima irá atuar. Algumas
enzimas, como as que existem no estômago, requerem um ambiente ácido; outras, como
as que existem no intestino, requerem ambiente básico.
Cada enzima no organismo tem o seu pH ótimo com o qual atua mais
eficientemente e se ele se alterar poderá dificultar as reações químicas celulares.
A atividade das enzimas é muito sensível ao pH. O pH ótimo de uma enzima é
uma das suas características mais importantes.
Para verificar qual a diferença entre catálise homogénea e catálise
heterogénea, asseda ao seguinte website:
http://www.colegioweb.com.br/cinetica-quimica/catalisehomogenea-e-heterogenea.html