La catálisis es la aceleración de una reacción química lenta por la presencia de una sustancia extraña. La aceleración ocurre sin cambio energético de la situación. Al final de la reacción, la sustancia extraña se puede extraer.

Catalizador: Sustancia que interviene íntimamente en la reacción, afectando mucho a la velocidad de la reacción, pero sin que tenga reflejo en la estequiometría de la misma.

Catálisis: Fenómeno por el cual se modifica la velocidad de reacción.

Catálisis Heterogénea

Tiene lugar entre fluidos y un catalizador sólido. Presenta mayor interés industrial y una fenomenología propia. El catalizador sólido está compuesto por diversos componentes.

Adsorción

En la catálisis heterogénea, donde el catalizador es un sólido, la reacción ocurre sobre la superficie de ese sólido a través de la adsorción superficial de las especies reaccionantes. El término adsorción se refiere al proceso de unión de una sustancia a la superficie de otra. Representando la evolución de la cantidad adsorbida en el equilibrio (P=cte) frente a la temperatura.

Clasificación de Catalizadores

• Másicos:
  • Metales: Hidrogenación
  • Óxidos: Oxidación, craqueo
  • Óxidos del tercer periodo: Isomerización, polimerización
  • Sulfuros
• Soportados:
  • Fase Activa: metales nobles, óxidos
  • Tamices moleculares: Zeolitas
  • Enzimas soportadas sobre materiales poliméricos

Componentes de un Catalizador y su Selección

La complejidad de un catalizador depende de las características de la propia reacción química. Componentes de los catalizadores:

• Especies activas catalíticas
• Soporte
• Estabilizadores

Especies Activas Catalíticas

1. Fase activa: Sustancia con actividad catalítica
2. Promotor:
   • Se añaden en pequeñas cantidades
   • Mejora la actividad y selectividad (promotor químico), favorece reacción determinada
   • Mejora la resistencia (promotor físico)
   • No tiene actividad catalítica (o muy baja)
3. Inhibidor:
   • Sustancias que disminuyen la velocidad de determinadas reacciones secundarias

Soporte

Material que da cuerpo y resistencia al catalizador permitiendo disminuir la concentración de fase activa (dispersión).

Elección: Permite disminuir la concentración de las especies activas.

• Condiciones mecánicas adecuadas
• Buena disponibilidad y composición uniforme
• Estructura suficientemente porosa
• Exento de materiales que puedan envenenar
• Estable en condiciones de operación y reacción
• Gran resistencia térmica
• Inerte para la reacción

Clasificación según Superficie Específica.

Características Deseables en un Catalizador

• Actividad: Es una medida de la conversión que se produce por unidad de tiempo, velocidad de reacción en moles transformados por segundo y por gramo de catalizador. La actividad depende:
  • Número de componentes activos
  • Método de preparación
  • Estructura porosa

  Si la actividad es elevada:

  • Se puede trabajar a menor temperatura (se eliminan reacciones secundarias)
  • Disminuye el volumen de reactor
  • Determina el tamaño de la instalación

  Un catalizador es mejor cuanto mayor es su actividad.

• Selectividad: Determina la distribución de productos, permitiendo una reducción de los costes de producción. El catalizador debe ser lo más selectivo posible, es decir, dirigir la reacción hacia el producto de interés. La selectividad depende:
  • Componentes activos
  • Estructura porosa del catalizador
  • Efectos difusionales de la estructura porosa del catalizador
• Estabilidad: La estabilidad de un catalizador es la variable final a optimizar en su aplicación industrial y la que se relaciona directamente con la vida útil del catalizador. La vida de operación de un catalizador debe ser evaluada en función de la cantidad de productos formados, de manera que en el mínimo de tiempo debe permitir amortizar el costo del catalizador y la operación del proceso.

Propiedades Físicas

• Superficie específica: Superficie por unidad de masa de catalizador (incluida interior de los poros). Suele distinguirse entre superficie microporosa y la meso-macroporosa. Superficie repartida en poros de diferentes tamaños.
  • Cuanto mayor sea, mayor será su actividad.
• Distribución de poros controlada (m3/g)
• Tamaño de poros
• Morfología de las Partículas (tamaño y forma adecuado para permitir el paso del fluido a través del lecho catalítico. Mínima pérdida de carga)
• Resistencia mecánica elevada
  • Atricción (Pérdida porcentual de materia debida a la fricción de las partículas. El catalizador no se debe deteriorar durante el proceso)
  • Resistencia térmica
  • Estabilidad del catalizador

Desactivación

• La actividad de un catalizador no permanece constante de por vida.
• La desactivación de un catalizador es uno de los problemas más importantes de la catálisis.
• Es tanto más rápida cuanto menor es la estabilidad de un catalizador.
• Afecta especialmente a los catalizadores heterogéneos y enzimáticos.

El estado del catalizador deberá incluirse en la ecuación cinética, de manera que puedan expresar estas, el valor de velocidad de reacción cuando la desactivación del catalizador sea importante.

La desactivación es tanto más rápida cuanto menor es la estabilidad de un catalizador. Afecta especialmente a los catalizadores heterogéneos y enzimáticos. Estos pueden perder su actividad por varias causas:

1. Envenenamiento: Impurezas en la alimentación que se depositan en el catalizador disminuyendo el número de centros activos (adsorción fuerte de átomos o moléculas, S, As, Hg, óxidos de Hg, etc.)
2. Ensuciamiento: Por depósitos de sustancias que bloquean los poros.
3. Envejecimiento: Desactivación debida a procesos de degradación de la estructura del catalizador en las condiciones de reacción. Reconstrucción térmica de la superficie con disminución del área activa (sinterización).
   • Envejecimiento: modificación lenta del sólido (perdida de fase activa por desgaste)