Aula_1 Catalise Heterogenea

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE 
SÃO PAULO 
SETOR DE ENGENHARIA 
QUÍMICA 
 
Introdução à Catálise Heterogênea 
Prof. Dr. Eliezer Ladeia Gomes 
2º Semestre de 2013 
AULA 1 
 
CATÁLISE 
 É o fenômeno em que uma quantidade 
relativamente pequena de um material estranho 
à estequiometria – o catalisador – aumenta a 
velocidade de uma reação química sem ser 
consumido no processo (IUPAC, 1976). 
 
 Um catalisador acelera uma reação fornecendo 
um caminho alternativo – um mecanismo de 
reação diferente – entre reagentes e produtos. 
Esse novo caminho tem energia de ativação mais 
baixa do que o caminho original. 
CATÁLISE 
 Este mecanismo de reação alternativo é mais 
eficiente para a conversão de reagentes e 
produtos. 
 
 Esse novo caminho tem energia de ativação mais 
baixa do que o caminho original; à mesma 
temperatura, uma fração maior de moléculas 
reagentes podem cruzar a barreira de energia 
(que é mais baixa) e se transformar em produtos. 
 Um catalisador aumenta a velocidade de uma 
reação por diminuir a sua energia de ativação. 
 
 
 Embora a reação ocorra mais rapidamente, o 
catalisador não afeta a composição de equilíbrio. 
Ambas as reações, direta e indireta, são 
aceleradas no caminho catalisado, o que deixa a 
constante de equilíbrio inalterada. 
uncatalyzed catalyzed 
Velocidadereação catalisada > Velocidadereação não catalisada 
CATÁLISE, TERMODINÂMICA E CINÉTICA 
QUÍMICA 
 O que o catalisador NÃO faz ? 
 O catalisador não viabiliza reações 
termodinamicamente desfavorecidas. 
 
  O catalisador não altera o equilíbrio 
da reação. Portanto não obteremos 
conversão a produtos maior do que o 
que foi previsto pela termodinâmica !! 
 
CATALISADORES 
 Assim, os catalisadores proporcionam um 
“caminho alternativo” , termodinamicamente 
compatível para a reação, que envolve menor 
energia, diminuindo assim a Energia de 
Ativação, tornando-a mais rápida. 
 
 O catalisador deve sempre permanecer inalterado 
após o processo de reação. Pode ser consumido em 
uma etapa e regenerar-se na etapa seguinte. 
 
 
CARACTERÍSTICAS DOS CATALISADORES 
 Somente aumentam a velocidade; 
 
 Não são consumidos; 
 
 Não iniciam reações, mas interferem nas que já 
ocorrem sem a sua presença; 
 
 Podem ser utilizados em pequenas quantias, 
visto que não são consumidos; 
 
 Seus efeitos podem ser diminuídos pela presença 
de “venenos”. 
 
CATÁLISE  Catálise 
HETEROGÊNEA: o 
catalisador está em fase 
diferente da dos 
reagentes. Geralmente, 
são sólidos finamente 
divididos ou porosos, 
usados em reações em 
fase líquida ou gasosa. Os 
catalisadores 
heterogêneos são 
superfícies com sítios 
ativos que transformam 
as moléculas em espécies 
mais reativas. 
CATÁLISE 
 Catálise 
HOMOGÊNEA: 
o catalisador e os 
reagentes estão na mesma 
fase. 
 
CATÁLISE HETEROGÊNEA 
 Exemplo: Processo Haber (produz NH3) 
(Haber recebeu o Prêmio Nobel em 1919). 
 
 Um dos mais importantes processos industriais  matéria-prima 
para indústria de fertilizantes (nitratos)  dezenas de milhões de 
toneladas são produzidas anualmente (alimentação e explosivos). 
Haber: Nobel pela invenção do processo catalítico; 
 
N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) 
Fe/Al2O3/K2O 
catalisador 
A síntese de Haber da amônia 
CONVERSORES CATALÍTICOS 
CO + Hidrocarbonetos que não sofreram combustão + O2 CO2 + H2O 
Conversor 
catalítico 
2NO + 2NO2 2N2 + 3O2 
Conversor 
catalítico 
Compressor de ar: fonte de ar 
secundário 
Recolhimento de gases 
de escape 
Tubo de escape 
Conversores 
Catalíticos 
Extremidade do 
tubo de escape 
CATÁLISE HOMOGÊNEA 
 Exemplo: decomposição da H2O2 
catalisador: Br – (NaBr) 
CATALISADOR HOMOGÊNEO 
 
• As enzimas são catalisadores biológicos. 
• As enzimas atuam apenas sobre moléculas específicas, 
chamadas substratos (ou seja, reagentes), deixando 
inalterado o resto do sistema. 
• Uma enzima é tipicamente uma proteína de dimensões elevadas 
que contém um ou mais centros ativos. É nesses centros que 
ocorrem as interações com as moléculas de substrato. Estes centros 
ativos têm estruturas compatíveis apenas com certas moléculas 
com uma relação topológica semelhante à que existe entre uma 
chave e a respectiva fechadura. 
 
 E + S ES 
ES P + E 
 
CATÁLISE ENZIMÁTICA 
k 
CATÁLISE ENZIMÁTICA 
EFEITO DE UM CATALISADOR ENZIMÁTICO NUMA 
REAÇÃO QUÍMICA 
Reação não catalisada Reação catalisada por uma 
enzima 
A reação catalisada ocorre num mecanismo em duas etapas. A segunda etapa 
(ES  E + P) é a etapa que controla a velocidade da reação. 
Energia 
de ativação 
Transcurso da reação 
Complexo 
 ativado 
Reagentes 
H<0 
Energia 
de ativação 
Transcurso da reação 
Complexo 
 ativado 
Reagentes 
H>0 
Reação exotérmica Reação endotérmica 
Produtos 
Productos 
E.A 
Os catalisadores diminuem a energia de ativação de uma determinada reação, e 
portanto aumentam a velocidade de reação. 
 Reação não catalisada 
 Reação catalisada 
 
Energia 
de ativação 
Transcurso da reação 
Complexo 
ativado 
Reagentes 
H<0 
Energia 
de ativação 
Transcurso da reação 
Complexo 
 ativado 
Reagentes 
H>0 
Reação exotérmica Reação endotérmica 
Produtos 
Produtos 
E.A 
E.A 
Os catalisadores 
negativos aumentan 
a energia de ativação 
Os catalisadores 
positivos diminuen 
a energia de ativação 
E.A sem catalisador 
E.A com catalisador negativo 
E.A com catalisador positivo 
INIBIDORES 
 “Catalisadores negativos”, são substâncias que, 
adicionadas a uma mistura reagente, diminuem a 
velocidade da reação. 
 
 Veneno de catalisador ou inibidor é uma 
substância que diminui e até destrói a ação do 
catalisador, sem tomar parte na reação. Os 
inibidores podem agir de várias maneiras. 
 
INIBIDORES 
 A inibição de uma reação catalisada em uma 
superfície pode ocorrer quando moléculas 
estranhas se ligarem aos sítios-ativos, bloqueando-
os do contato das moléculas de substrato. Uma 
inibição deste tipo é denominada muitas vezes de 
envenenamento e o inibidor de veneno. 
 
CATALISADOR SÓLIDO 
 Classificação 
 
 Metálicos ( Ni, Pd, Pt, Ag, Cu, ... ) 
 emprego: hidrogenações e oxidações, etc. 
 Suportados ( metais sobre suporte inerte ou ativo ) 
 emprego: hidrogenações e oxidações; reações que necessitam 
de tipos diferentes de sítios. 
 Peneiras Moleculares ( Zeólitas ) 
 emprego: reações para-diretoras; craqueamento, reforma, 
isomerização catalítica, etc. 
 Óxidos (sílica-alumina, alumina, CuO, [CuAlZnO] ) 
 emprego: craqueamento, desidratação, condensação, 
esterificação, desoxigenação, etc. 
o Caráter dos Sítios Ativos 
 Ácido, Básico, Bifuncional 
 
REAÇÃO QUÍMICA SOBRE 
CATALISADORES SÓLIDOS 
Meio Reacional 
Homogêneo Camada limite 
Poros 
Di 
De 
Sítio Ativo 
Dc 
Dc 
Reagentes 
Produtos 
A + B 
C + D 
Cinética da 
reação 
sobre a 
superfície 
sólida 
Microgrão de 
Catalisador 
FORMAS DE USO DO CATALISADOR 
Em pó ( partículas da ordem de mícrons ). 
 
Em pellets 
cilíndricos 
esféricos 
capsulados 
 
Suportados em redes, malhas 
Envolve estudo de 
compactação, 
moldagem e extrusão 
EXEMPLO 
 A 25°C, a conversão enzimática de um substrato 
tem a constate de Michaelis igual a 0,042 molL-1.A velocidade da reação é de 2,45x10-4 molL-1s-1 
quando a concentração do substrato é de 0,890 
molL-1. Qual o Maximo de velocidade nessa 
enzimólise?