În chimie, vorbim de cataliză eterogenă atunci când catalizatorul și reactivii sunt în mai multe faze . De obicei, catalizatorul este solid și reactanții sunt gazoși sau în soluție apoasă . Cataliza heterogenă este de primă importanță în multe domenii ale industriei chimice și ale sectorului energetic. Importanța catalizei eterogene este evidențiată prin Premiile Nobel pentru Fritz Haber în 1918, Carl Bosch în 1931, Irving Langmuir în 1932 și Gerhard Ertl în 2007.
Catalizatorul, în stare solidă , catalizează o reacție în faza lichidă sau în faza gazoasă .
Reacția are loc la interfața dintre faza solidă și cea gazoasă. Prin urmare, va fi cu atât mai eficient cu cât această suprafață este importantă. Din acest motiv, catalizatorii au, în general, suprafețe specifice foarte mari. De asemenea, este posibil să se maximizeze raportul dintre suprafața de contact a catalizatorului și masa catalizatorului utilizată prin dispersarea acestui catalizator pe un alt solid, cum ar fi o spumă ceramică, care va servi drept suport pentru acesta.
În majoritatea aplicațiilor industriale, se folosește acest tip. De fapt, în acest tip de proces, catalizatorul poate fi recuperat printr-o simplă filtrare sau fixat într-un flux de reactant. Acest lucru face posibilă atât recuperarea sa cu ușurință pentru a putea fi reutilizată, cât și evitarea operațiunilor de separare a catalizatorului de produse la sfârșitul reacției.
Reacția de cataliză eterogenă are loc conform unei scheme care conține mai multe etape (de obicei șapte).
Cei șapte pași sunt după cum urmează:
În cazul oxidării hidrocarburilor pe oxizi, P. Mars și DW van Krevelen au propus un mecanism de tip redox. În aceasta, specia reactivă este un atom de oxigen al rețelei de oxid (sub formă de O 2- ) care reacționează cu hidrocarbura. Acest oxigen este apoi regenerat prin sosirea oxigenului din faza gazoasă.
În acest tip de mecanism, reacția are loc între speciile adsorbite pe suprafața catalizatorului. Prin urmare, aceasta înseamnă că speciile necesare unei reacții sunt prezente pe suprafața catalizatorului. Aceasta nu înseamnă că toate speciile implicate în reacție trebuie să fie prezente. În cazul reacțiilor care implică mai multe specii și mai multe etape, substratul se poate deplasa pe suprafața catalizatorului și a reactanților. În cazul oxidării compușilor organici volatili , acest mecanism implică o reacție de suprafață între oxigen și COV. Ambele sunt adsorbite pe site-uri active de același tip. Adsorbția oxigenului și a COV poate fi sau nu disociativă cu posibila concurență a reactanților dintre ele.
Spre deosebire de mecanismul anterior, aici reacția are loc între o specie adsorbită pe suprafața catalizatorului și o specie neabsorbită. Totuși, în cazul oxidării catalitice a COV, numai COV sau oxigenul este adsorbit pe suprafața catalizatorului, ceea ce face posibil să se spună că reacția are loc între o moleculă de COV adsorbit și o moleculă de oxigen în faza gazoasă. sau invers.
Deși majoritatea catalizatorilor eterogeni sunt solizi, există multe variații.
Faza de reacție | Exemple date | cometariu |
---|---|---|
solid + gaz | Sinteza amoniacului din N 2 + H 2 pe catalizatori pe bază de fier | |
solid + solutie | Hidrogenarea acizilor grași cu nichel | Folosit pentru fabricarea margarinei |
faze lichide nemiscibile | Hidroformilarea de propenă | Catalizator în fază apoasă, reactivi și produse în principal în fază neapoasă |
Procese industriale | Reactivi, produs (e) | Catalizator (i) | cometariu |
---|---|---|---|
Sinteza acidului sulfuric | SO 2 + O 2 , SO 3 | pentoxid de vanadiu | Hidratarea SO 3 pentru a produce H 2 SO 4 |
Sinteza amoniacului
( Procesul Haber ) |
N 2 + H 2 , NH 3 | fier modificat cu hidroxid de potasiu | Aproximativ 80% din NH 3 de producție este utilizat în fabricarea îngrășămintelor și a 10% din producția de acid azotic. |
Sinteza acidului azotic
( Procesul Ostwald ) |
NH 3 + O 2 , HNO 3 | Pt - țesături Rh | rutele directe din N 2 nu sunt economice |
Sinteza producției de gaze prin reformarea metanului | CH 4 + H 2 O, H 2 + CO 2 | nichel susținut pe alumină | Sunt căutate în mod activ trasee mai ecologice către H 2 prin împărțirea apei |
Sinteza metanolului
( Procesul ICI și procesul Lurgi ) |
CO + H 2 , CH 3 OH | CuO / ZnO / Al 2 O 3 | CH 3 OH este un intermediar în industria chimică și pentru producția de combustibili lichizi |
Sinteza oxidului de etilenă | C 2 H 4 + O 2 , C 2 H 4 O |
argint metalic sprijinit pe alumină ,
(cu mulți promotori ) |
slab aplicabil altor alchene |
Crăparea catalitică | C n H 2n + 2 , C m H 2 m + 2 + C 3 H 6 | catalizator acid | crește calitatea benzinei produse |
Izomerizare | pentan - hexan , parafine substituite | fie o alumină clorurată care conține 0,3% platină , fie un zeolit de tip mordenit care conține și Pt) | produce parafine substituite ( număr mare octanic ) |
Desulfurarea petrolului ( Hidrodesulfurare ) | H 2 + sulfură hidrocarbură, RH + H 2 S | Mo - Co pe Al 2 O 3 | produce hidrocarburi cu conținut scăzut de sulf, sulf recuperat prin Procesul Claus |