TRABALHO SOBRE CATÁLISE

TRABALHO SOBRE CATÁLISE

Acadêmicos: Beatriz Lisieski, Clóvis Goedert e Pamela Cavichioli.

1. Histórico

1. Conceitos Gerais

1. Catalisador

Catalisador é uma substância química que não participa da reação química. Diminui a energia de ativação e aumenta a velocidade da reação. O catalisador acelera a reação, mas não altera a composição química dos reagentes e produtos envolvidos. A quantidade de substância produzida na reação não se altera com o uso de catalisadores. 
Se a reação for reversível, a reação inversa também será acelerada, pois sua energia de ativação também terá um valor menor. 
O catalisador não altera a variação de entalpia.

[pic 2]

1. Atividade catalítica e Expressões da taxa de atividade catalítica

Refere-se à taxa pela qual a reação alcançará o equilíbrio. Essa taxa pode ser expressa de diversas formas: Por unidade total de área, por massa ou volume do catalisador, por volume de reator empacotado ou quando for recomendado pela IUPAC. A taxa de reação (r) é calculado como a taxa de variação da quantidade de substância (nA) de um reagente A com o tempo em relação ao volume de reação ou a massa do catalisador:

[pic 3]

F(cA) é um termo de concentração que pode apresentar dependência de primeira de primeira ordem ou superior no equilíbrio de adsorção.

Pela equação de Arrhenius define-se que k=k0. e-(E/R.T). Onde K0 é o fator pré exponencial ou fator de freqüência; Ea é a energia de ativação da reação; R é a constante dos gases ideais e; T é a temperatura em Kelvin.

Pelas equações anteriores depreende-se 3 formas distintas de visualizar a atividade catalítica: taxa de reação (r), a constante de taxa (k) e a energia de ativação (Ea).

Na prática em situações de medidas comparativas como na seleção de catalisadores, determinação de parâmetros de processo, otimização das condições de produção de catalisador e estudos de desativação a determinação da atividade pode ser feito através de: conversão em condições de reações constantes; velocidade espacial para uma determinada conversão constante; o rendimento do tempo espacial e da temperatura necessária para uma determinada conversão.

Conversão é a razão entre a quantidade do reagente A que reagiu e a que foi colocada no reator:

[pic 4]

1. Velocidade espacial

Velocidade espacial é a taxa de vazão volumétrica (V0) relativa a massa de catalisador (mcat) ou ao volume do leito catalítico (V).

[pic 5] 

A SV é inversamente proporcional ao tempo necessário para processar um volume de leito catalítico, em determinadas condições, chamado de tempo espacial (ST).

1. Seletividade catalítica

É a medida da extensão da reação em relação a um ou mais produtos desejados, ao invés do total produzido. Normalmente pode variar de acordo com a pressão, temperatura, composição dos reagentes, extensão da conversão e também pela natureza do catalisador.

Normalmente é expressa como a percentagem do reagente consumido que formou o produto desejado. Industrialmente refere-se a ‘rendimento’ que é a quantidade de produto formado por quantidade de reagente consumido. O rendimento é expresso em base mássica (w/w), muitas vezes de forma percentual.

1. Estabilidade catalítica

Os catalisadores heterogêneos apresentam, pelo menos, três formas distintas de estabilidade: estabilidade química, térmica e mecânica.

A estabilidade de um catalisador determina sua vida útil em um processo reacional. A vida útil total de um catalisador é crucial na avaliação econômica de um processo catalítico. Um dos principais enfoques na avaliação de processos industriais esta relacionado com o uso eficiente da matéria-prima e de recursos energéticos. Neste contexto é preferível, em certas situações a otimização de um processo à criação de um novo, assim: SELETIVIDADE > ESTABILIDADE > ATIVIDADE

1. Catalisador negativo

São substâncias que diminui a taxa de uma reação. Seu mecanismo de reação é diferente dos catalisadores “positivos”, sendo melhor designado por Inibidores Reacionais.

1. Sítios ativos

Propriedades químicas e físicas dos sólidos variam com a localização da superfície. Esta heterogeneidade pode ser medida de diversas formas. Segundo Taylor, (HS (1948), reações ocorrem somente em locais específicos chamados de sítios. O sítio ativo para uma determinada reação pode não ser para a outra.

1. Frequência de Turnover

Ela quantifica a atividade específica de um centro ativo de catalisador, para uma reação em especial, sob condições de reação, definida pelo número de reações moleculares ou ciclos catalíticos que ocorrem no centro ativo por unidade de tempo.

[pic 6]

Para muitas aplicações industriais os valores de TOF estão na faixa de 10-2 a 102 s-1.

1. Número de Turnover

O número de Turnover especifica o uso máximo que pode ser feito de um catalisador, para uma reação especial, nas condições definidas. O número de reações moleculares ou ciclos de reação, que ocorre no centro ativo até a queda da atividade.

TON = TOF [tempo-1] . vida útil do catalisador [tempo]

Para aplicações industriais os valores de TON variam entre 106 e 107. Dependendo do processo catalítico o TON e o TOF podem ter significados diferentes: na catálise homogênea o TON é o número de moléculas de um reagente A que uma molécula do catalisador pode converter no produto B, até que o catalisador se desative; na catálise heterogênea TON é o número de moléculas de um reagente A, que um sítio ativo do catalisador pode converter no produto B, até que o catalisador se desative; na catálise enzimática TON é definido como a taxa quando todas as moléculas de enzima são complexadas com o reagente, dividido pela concentração total da enzima.