Cinetica chimica

I catalizzatori metallici: platino, palladio e altri esempi

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Lingotti d’oro e monete d’argento sono il sogno di ogni cacciatore di tesori che gira il mondo alla ricerca di ricchezze. Non a caso metalli come questi sono chiamati “preziosi” per il loro valore economico che li porta a essere utilizzati per costruire beni da conservare e mostrare con vanto*. Molto spesso il loro costo è legato alla disponibilità sul pianeta: minore è la quantità esistente del metallo, maggiore è il suo prezzo. Questi metalli non sono però “preziosi” soltanto per la vanità di chi li indossa ma anche per l’industria, che usa alcuni di essi come catalizzatori.

La catalisi, cioè l’azione compiuta dai catalizzatori, si definisce eterogenea quando il catalizzatore non costituisce una fase unica con i reagenti, ma è, per esempio, solido mentre almeno uno dei reagenti è gassoso o liquido.
Si definisce invece omogenea quando il catalizzatore è “in fase” con i reagenti. In questo secondo caso di solito il catalizzatore forma, con uno o più reagenti,composti intermedi composti transitori più reattivi del reagente. La formazione dei prodotti finali libera di nuovo il catalizzatore, che, così ripristinato, può ripetere la sua azione.

I catalizzatori metallici sono di norma eterogenei, poichè sono solidi che aumentano la velocità di reazioni che avvengono in fase gassosa o liquida. La loro “preziosità” è legata al fatto che senza di essi queste reazioni sarebbero impossibili o troppo lente per le tempistiche richieste da una produzione industriale. L’oro (Au), metallo prezioso per eccellenza, viene utilizzato come catalizzatore per la reazione di decomposizione dell’ossido di diazoto ad azoto e ossigeno. L’argento (Ag), invece, viene usato per la produzione di formaldeide (HCHO) a partire da metanolo (CH3OH), mediante un processo di ossidazione.

N2O $ \xrightarrow{\small{\text{Au}}} $‎ N2 + ½ O2
CH3OH + ½ O2 $ \xrightarrow{\small{\text{Ag}}} $ HCHO + H2O

Il metallo è in grado di fornire una superficie sulla quale i reagenti vengono posizionati in maniera corretta nello spazio, favorendone la giusta interazione. Un esempio è l’aggiunta di idrogeno (idrogenazione) a un doppio legame carbonio-carbonio, tipico per esempio di alcheni e acidi grassi insaturi. Sono utilizzati metalli preziosi come il palladio (Pd) o il platino (Pt) che permettono di legare la molecola biatomica di idrogeno (H2) e di cedere uno alla volta i due atomi. L’attacco degli atomi di idrogeno avviene dallo stesso lato rispetto al doppio legame.

L’idrogenazione di un alchene da parte di un catalizzatore metallico.

Il platino viene utilizzato in industria anche per la sintesi dell’anidride solforica (SO3, triossido di zolfo) a partire dall’anidride solforosa (SO2 , diossido di zolfo), come alternativa al pentossido di vanadio (V2O5). Il passaggio successivo permetterà di produrre l’acido solforico (H2SO4), uno degli acidi più utilizzati dalle industrie.

2 SO2 + O2 $ \xrightarrow{\small{\text{Pt}}} $ 2 SO3

Un’applicazione quotidiana di questi metalli è la marmitta catalitica delle automobili, che contiene la suo interno platino, palladio e rodio (Rh). La marmitta catalitica è in grado di eliminare molecole tossiche o inquinanti che si formano dalla combustione del carburante contenuto nel serbatoio, come il monossido di carbonio (CO) e gli ossidi dell’azoto (NOx). Inoltre viene completato il consumo degli idrocarburi non totalamente degradati durante la combustione.

2 CO + O2 $ \xrightarrow{\small{\text{Pt}}} $ 2 CO2
NOx $ \xrightarrow{\small{\text{Rh}}} $ N2 + O2

Questi metalli possono ridurre di molto la loro capacità di catalizzare reazioni se sostanze particolari si depositano sulla loro superficie, disattivandone le proprietà: questo processo viene chiamato avvelenamento. Nel caso della marmitta catalitica avviene in presenza di piombo (Pb). Per questo motivo è necessario utilizzare la cosiddetta “benzina verde” o “benzina senza piombo”, al fine di non degradare il catalizzatore.

 

*La loro preziosità è legata, oltre che all’aspetto, alla loro particolare scarsa alterabilità, o addirittura inalterabilità, da parte di agenti esterni, atmosferici e non solo, oltre che a duttilità e malleabilità che li rendono adatti a farne monili, oggetti artistici etc.

**I catalizzatori metallici funzionano in genere sotto forma di polvere finissima o spugnosa (es. spugna di platino, rete di platino…): ciò aumenta enormemente la superficie di contatto con le particelle in reazione. Oltre a ciò si hanno fenomeni di “occlusione” delle particelle che si vuol far reagire; esse, imprigionate in uno spazio estremamente ristretto, sono, per così dire, costrette a incontrarsi e per di più, così stipate, si deformano, il che comporta un allentamento dei legami e la disponibilità a formarne nuovi. Si realizza così una re-distribuzione degli atomi, che è l’essenza di una reazione chimica.

 

Credits: Wikimedia Commons Michael Schmid

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