Aplicações De Catálise

FUNDAMENTOS DA CATÁLISE

Catálise é um fenômeno do qual participam os catalisadores. Catalisadores são substâncias químicas utilizadas para fornecer um caminho diferente à reação com um menor consumo de energia. Portanto, o catalisador aumenta a velocidade de reação, diminuindo a energia de ativação. Ele não é consumido durante a reação e também não altera as quantidades de reagentes e produtos. (1)

Algumas substâncias presentes no meio, onde ocorre a catálise, podem diminuir ou eliminar a ação do catalisador na reação. Estas substâncias, chamadas de veneno de catalisador, aumentam a energia de ativação do sistema e diminuem a velocidade da reação, bloqueando uma ou mais etapas elementares da reação catalítica. (1)

O mecanismo de reação provocada pelo catalisador é chamado de ciclo catalítico. É uma sequência de reações, onde primeiramente ocorre a coordenação dos reagentes ao catalisador e posteriormente a formação dos produtos com a regeneração do catalisador, após o ciclo. Para um catalisador ser economicamente viável, ele deve suportar um grande número de ciclos catalíticos. (1) Como exemplo de um ciclo catalítico pode-se citar o processo de Monsanto, conforme descrito na Figura 1.

A seletividade do catalisador é um fator importante na maioria das reações catalíticas, com exceção de poucas reações inorgânicas simples, onde há somente um produto termodinamicamente favorável. Um catalisador seletivo produz uma grande quantidade do produto desejado na reação com pouca geração de produtos secundários. (1) Quando o catalisador não é seletivo, surgem problemas como a separação do produto desejado a partir de outros subprodutos, descarte dos subprodutos acarretando também problemas ambientais. (2)

As aplicações industriais da catálise estão nos mais diversos segmentos da indústria: produção de amoníaco, que é utilizado na indústria de fertilizantes, entre outras; indústria farmacêutica; produção de ácido nítrico para produção de fertilizantes e corantes; tratamento de água; indústria petroquímica na produção de plásticos e resinas, fibras e borrachas, solventes e colas;Atualmente, 90% de todos os produtos químicos industriais são produzidos com o auxílio de catalisadores. (3)

Em geral, reações catalíticas tendem a ser escolhidas visando menor geração de subprodutos e são classificadas segundo a sua fase. A chamada catálise homogênea é quando o catalisador está no mesmo estado físico dos reagentes e facilita o estudo de mecanismos de reações. Este tipo de catálise é seletiva para a formação do produto desejado, porém dificulta a separação do produto e a separação do catalisador. Como exemplo de catalisadores homogêneos, temos: compostos metálicos ou organometálicos. Já na catálise heterogênea, o catalisador se encontra em estado físico diferente dos reagentes e como exemplos, temos: compostos metálicos à base de metais como Pd, Pt, Rh, Ru, Ni, óxidos metálicos, zeólitas, argilas, sólidos ácidos, entre outros. (3)

A catálise homogênea é menos usada do que a heterogênea, devido à dificuldade de separação do catalisador e do produto. A catálise heterogênea é amplamente usada na indústria, pois a substância responsável pela catálise é suportada por um sólido poroso de grande área superficial, não necessitando a posterior separação do mesmo e dos produtos. (2) Este último apresenta uma ótima dispersão dos sítios reativos, elevando a seletividade e a eficiência das reações tradicionais. (3) Seguem abaixo duas tabelas comparando a catálise heterogênea e a catálise homogênea segundo os critérios de eficiência e propriedades do catalisador.

Tabela 1 - Catálise Homogênea x Catálise Heterogênea – critério “Eficiência”

Parâmetro Catálise Homogênea Catálise Heterogênea

Centros Ativo Todos os átomos metálicos Apenas átomos da superfície

Concentração Baixa Alta

Problemas de Difusão Praticamente ausente Presente

Condições Reacionais Brandas (50°C – 200°C) Severas (>250°C)

Aplicabilidade Limitada Ampla

Perda de Atividade Reações irreversíveis com os produtos (formação de clusters), envenenamento Sinterização dos grãos metálicos

Fonte: (3)

Tabela 2 - Catálise Homogênea x Catálise Heterogênea – critério “Propriedades do catalisador”

Parâmetro Catálise Homogênea Catálise Heterogênea

Estrutura / estequiometria Definida Indefinida

Possibilidades de modificação Alta Baixa

Estabilidade térmica Baixa Alta

Separação do catalisador Difícil Desnecessária

Reciclagem do catalisador Possível Desnecessária

Custos por Perda do catalisador Alto Baixo

Fonte: (3)

Dentre as aplicações da catálise homogênea, uma das mais importantes é a da produção do ácido acético. Esta síntese é chamada de carbonilação do metanol, no qual o processo Monsanto e Cativa são os mais usados. O mecanismo dos dois processos é basicamente igual. A diferença entre eles é o metal que coordena o catalisador. No processo da Monsanto o metal utilizado é o ródio e no processo Cativa o metal utilizado é o irídio. (1)

No processo Monsanto, antes de iniciar o ciclo catalítico, ou seja, quanto o reator é ligado, o ródio é adicionado na forma de RhI2, o qual reage com o CO e forma [RhI2(CO)2]-, conforme a reação abaixo (4):

RhI2 + CO  [RhI2(CO)2]- + CO2 + 2H+ + I- (4)

Conforme o mecanismo descrito na figura 1, o metanol reage com ácido iodídrico, formando o iodometano e água. O iodometano reage com [RhI2(CO)2]- tetraédrico, formando o [MeRhI3(CO)2]- octaédrico, onde todos os ligantes estão ligados ao ródio. Após ocorre um rearranjo e a metila se liga a um CO do complexo. Após rearranjo é adicionado CO, no qual entra na posição ligante no qual a metila havia desocupado, formando o [RhI3(CO)3Me]-, no qual é instável. Devido a instabilidade, ocorre a regeneração do