Catalisi

I catalizzatori sono sostanze che modificano la velocità di una reazione chimica senza subire alcuna variazione del loro stato chimico nel corso della trasformazione stessa. L'azione esplicata dal catalizzatore è chiamata catalisi. Essa può essere positiva se aumenta la velocità di reazione, negativa nel caso contrario. Quando si ha una catalisi negativa la sostanza responsabile viene chiamata inibitore.

Nella reazione catalizzata, grazie a una particolare sostanza che è il catalizzatore, l'energia di attivazione necessaria per la formazione del complesso attivato è minore rispetto alla stessa energia richiesta per la formazione del medesimo complesso attivato della stessa reazione non catalizzata, come si può vedere dalla seguente ura, dove A sono i reagenti e P i prodotti (e vediamo che l'energia libera media di P è minore di quella di A: la reazione è spontanea).

Poiché queste sostanze responsabili della catalisi non subiscono modificazioni chimiche nel corso della reazione (solo, a volte, trasformazioni fisiche del loro stato), non compaiono nella stechiometria della reazione.

Si parla di catalisi omogenea quando il catalizzatore si trova in soluzione con i reagenti oppure nella loro stessa fase. In questo caso, esso si combina con uno dei reagenti formando un composto intermedio che a sua volta è in grado di reagire molto facilmente con gli altri reagenti. L'azione del catalizzatore non influisce sulla posizione dell'equilibrio chimico in quanto aumenta contemporaneamente anche la velocità di decomposizione dei prodotti nei reagenti. Un esempio di catalisi omogenea si ha nella reazione di formazione di anidride solforica, SO₃, a partire da anidride solforosa, SO₂, e ossigeno, O₂; questa reazione avviene durante uno dei processi di sintesi industriale dell'acido solforico, H₂SO₄, detto processo delle camere di piombo. In questa trasformazione, la funzione di catalizzatore viene svolta da vapori di anidride nitrosa, NO. Questo composto reagisce con l'O₂ e forma NO₂; quindi, SO₂ reagisce con NO₂ e si formano SO₃ e NO. La quantità di NO, di conseguenza, non varia nel corso della reazione, caratteristica tipica dei catalizzatori.

Si parla invece di catalisi eterogenea, o di contatto, quando il catalizzatore si trova in una fase separata da quella dei reagenti. I catalizzatori di contatto sono materiali che hanno una elevata capacità di adsorbire molecole di gas o di liquidi sulla loro superficie. Un esempio di catalisi eterogenea è la reazione del monossido di carbonio (CO) con l'ossigeno (O₂) per formare biossido di carbonio (CO₂), che viene catalizzata da platino finemente triturato. Questa reazione viene sfruttata nelle marmitte catalitiche montate sulle auto, per eliminare il monossido di carbonio dai gas di scarico.

Alcune sostanze, dette promotori, non manifestano direttamente proprietà catalitiche, ma accrescono l'efficacia dei catalizzatori. Ad esempio, se si aggiunge un piccolo quantitativo di allumina (sesquiossido di alluminio, costituente delle argille) a ferro finemente triturato, si aumenta la capacità di quest'ultimo di favorire la formazione di ammoniaca a partire da una miscela di idrogeno e azoto. Gli inibitori, invece, inibiscono l'azione di un catalizzatore legando con un reagente o con lo stesso catalizzatore per formare un complesso poco reattivo; ne sono esempio i numerosi composti di piombo che limitano l'efficacia del platino; per questo motivo le macchine dotate di una marmitta catalitica per l'emissione controllata dei gas di scarico devono necessariamente utilizzare benzina senza piombo. Ma anche i conservanti usati nei cibi e nelle medicine per evitarne il deterioramento sono esempi di inibitori di reazione.

I catalizzatori sono attualmente molto importanti nel settore dell'industria: un gran numero di processi industriali, infatti, si ottiene mediante reazioni catalizzate. Gli enzimi, ad esempio, sono catalizzatori estremamente potenti; essi svolgono un ruolo essenziale negli organismi viventi rendendo possibili reazioni che, in loro assenza, richiederebbero temperature eccessivamente alte. Uno dei settori di ricerca più avanzati nel campo dei catalizzatori è quello che riguarda proprio gli enzimi; quelli naturali sono usati da molto tempo nel settore industriale, ma soltanto il 20% di essi è disponibile in quantità ragguardevoli. Molte delle ricerche intraprese nel settore delle biotecnologie mirano a trovare metodi per aumentare lo sfruttamento di tali risorse naturali e a sviluppare la sintesi di enzimi semisintetici.