Catálise homogênea e heterogênea

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ATKINS – CAP. 25 E 28
Universidade São Francisco
Prof. Rosana Zanetti Baú
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Catálise
TEORIA DAS COLISÕES DE ARRHENIUS
Modelo que explica o aumento da velocidade das reações com o
aumento da temperatura, considerando que as moléculas, para
reagirem, têm que colidir umas com as outras.
Contudo, nem todas as colisões resultam na formação de
produtos; só uma pequena parte delas vai resultar na ocorrência
de reação, dependendo de dois fatores:
1. Fator de orientação
2. Energia cinética 6
Para que uma reação aconteça, é necessário que as moléculas dos
reagentes colidam com a orientação correta.
Colisão eficaz
FATOR DE ORIENTAÇÃO
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Colisão Eficaz
Colisão Ineficaz
ENERGIA DE ATIVAÇÃO
Energia de ativação:
Tal como uma bola não consegue alcançar o topo de uma colina se
não rolar com energia suficiente até à colina, uma reação não ocorre se
as moléculas não possuírem energia suficiente para ultrapassar a
barreira de energia de activação.
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ENERGIA DE ATIVAÇÃO
Energia de ativação: segundo a teoria das colisões postula-se
que, para que possam reagir, as moléculas que colidem têm de
possuir uma energia cinética total maior ou igual do que a energia
de ativação (Ea). É a energia necessária para que se inicie uma
dada reação.
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COMPLEXO ATIVADO
 Complexo ativado: é a espécie formada transitoriamente pelas
moléculas de reagentes, como resultado da colisão, antes da
formação do (s) produto (s)
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A+ B  C + D
Reação exotérmica Reação exotérmica
Complexo 
ativado
Complexo 
ativado
A fração de moléculas, f, com energia igual ou superior Ea é:
FRAÇÃO DE MOLÉCULAS COM Ea
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EQUAÇÃO DE ARRHENIUS
 A maior parte dos dados da velocidade das reações obedece à
seguinte relação:
Em que:
k- constante de velocidade
A – fator de frequência (medida da probabilidade de uma colisão eficaz)
Ea – energia de ativação (kJ/ mol)
R – constante dos gases ideais ( em unidades S.I. 8,314 J/K . mol)
T – temperatura absoluta
Quanto menor Ea e maior T , maior k.
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RT
Ea
Aek


CATÁLISE
Um catalisador é uma substância que aumenta a velocidade de uma
reação química, sem ser consumida durante essa reação.
Um catalisador aumenta a velocidade de uma reação por diminuir a sua
energia de ativação.
uncatalyzed catalyzed
k = A . e
-Ea/RT 
Velocidadereação catalisada > Velocidadereação não catalisada
Ea k
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Catálise heterogênea: o catalisador encontra-se numa fase diferente dos
reagentes e produtos
• A síntese de Haber da amônia
• A síntese do ácido nítrico
• Conversores catalíticos
• Hidrogenação Catalítica
Catálise homogênea: o catalisador encontra-se na mesma fase dos
reagentes e produtos
• Catálise ácida
• Catálise básica
CATÁLISE
 Existem dois tipos de catalisadores: Homogêneos e heterogêneos.
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EXEMPLO DE CATÁLISE HOMOGÊNEA
CATÁLISE ENZIMÁTICA
 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 20k
CATÁLISE ENZIMÁTICA
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EFEITO DE UM CATALISADOR ENZIMÁTICO NUMA
REAÇÃO QUÍMICA
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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 reacção.
CATÁLISE HETEROGÊNEA
Processo Haber (produz NH3)
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N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)
Fe/Al2O3/K2O
catalisador
A síntese de Haber da amônia
4NH3 (g) + 5O2 (g) 4NO (g) + 6H2O (g)
Catalisador de platina-ródio
2NO (g) + O2 (g) 2NO2 (g)
2NO2 (g) + H2O (l) HNO2 (aq) + HNO3 (aq)
Catalisador de Pt-Rh usado
no processo Ostwald
PROCESSO DE OSTWALD (produz HNO3)
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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
Gases de escape
Tubo de escape
Conversores 
Catalíticos
Extremidade do 
tubo de escape
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ADSORÇÃO
 Ligação de partículas (adsorvato) a uma superfície 
(adsorvente).
 O processo inverso da adsorção é a dessorção.
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O PAPEL DOS DEFEITOS
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DISCORDÂNCIAS
 Razão: rápido 
crescimento do 
cristal – não dá às 
partículas o tempo 
necessário para se 
acomodarem nos 
estados de menor 
energia potencial e 
ficam numa posição 
intermediária 
quando sobre elas 
se forma nova 
camada de 
partículas. 28
COMPOSIÇÃO DA
SUPERFÍCIE
 É possível determinar as 
energias de ligação das camadas 
eletrônicas internas e identificar 
os materiais presentes na 
superfície da amostra.
 Com UV: examinam-se elétrons 
emitidos das camadas de valência 
– determina as características 
das ligações e dos detalhes das 
estruturas eletrônicas nas 
substâncias presentes na 
superfície – revela os orbitais que 
estão envolvidos na adsorção. 
Auxílio na elucidação de 
mecanismos de interação dos 
catalisadores.
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A MEDIDA DA ADSORÇÃO
 É expressa pelo grau de recobrimento, :
 = número de sítios de adsorção ocupados
número de sítios de adsorção disponíveis
 Também é expresso pelo quociente entre o volume de gás 
adsorvido na amostra e o volume do gás que corresponde 
ao recobrimento completo da amostra por uma camada 
monomolecular do gás.
 Adsorção Física: interações de van der Waals entre 
adsorvato e adsorvente – são de longo alcance, porém, 
fracas.
 Adsorção Química: união por ligações químicas –
covalentes – acomodação em sítios – nº de coordenação 
máximo do substrato – são curtas e mais fortes.
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ATIVIDADE CATALÍTICA NAS SUPERFÍCIES
O catalisador:
 Abaixa a energia de ativação da reação;
 Não altera a composição final do equilíbrio no sistema –
modifica somente a velocidade com que o sistema se 
aproxima do equilíbrio.
 Co-adsorção: uma segunda espécie pode modificar a 
estrutura eletrônica da superfície e facilitar/dificultar a 
adsorção da espécie desejada.
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ADSORÇÃO E CATÁLISE HETEROGÊNEA
 Pelo menos um dos reagentes deve ser adsorvido e 
modificado, assumindo uma forma em que ele participa 
facilmente da reação.
 Fase ativa – partículas de dimensões ~ 2 nm, sobre o 
suporte de óxido poroso.
 Zeólitas – catalisadores sensíveis à forma – seus poros 
discriminam formas e tamanhos numa escala molecular 
e áreas superficiais internas de 100 – 500 m2/g.
 Para ser ativo, um catalisador deve ser extensamente 
recoberto pelo adsorvato. No entanto, a interação não 
pode ser muito forte para não imobilizar as moléculas 
adsorvidas. 32
 Elementos do bloco d, que possuem orbitais vazios, ex. ferro, 
vanádio e cromo, exibem muita atividade diante de gases como 
oxigênio, etileno, etano, monóxido e dióxido de carbono, hidrogênio 
e nitrogênio.
 No entanto, a atividade não é a mesma para todos os metais. Ex: 
manganês e cobre não adsorvem nitrogênio e gás carbônico.
 Metais à esquerda da tabela periódica só adsorvem os gases mais 
ativos, pois reagem com eles (oxigênio, por ex.).
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HIDROGENAÇÃO CATALÍTICA
 O alceno (2) adsorve-se pela 
formação de duas ligações com a 
superfície (3), ondeátomos de H 
podem estar adsorvidos.
 Quando há um encontro – uma 
das ligações é rompida formando 
(4) ou (5) – e depois um outro 
encontro com um segundo átomo 
de H liberta o hidrocarboneto 
hidrogenado, que é a espécie 
termodinamicamente mais 
estável. 36
HIDROGENAÇÃO CATALÍTICA
 O indício de uma reação em duas 
etapas é o aparecimento de 
isômeros – graças à 
movimentação da molécula sobre 
a superfície do metal.
 Um átomo da cadeia pode ser 
adsorvido quimicamente 
formando (6) e dessorvido, 
formando (7), que é um isômero 
da molécula original.
 Aplicação industrial: formação de 
gorduras a partir de óleos 
vegetais ou animais. 
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ZEÓLITAS
 São aluminossilicatos microporosos de fórmula geral: 
{[Mn+]x/n.[H2O]m}{[AlO2]x[SiO2]y}
x-, onde Mn+ é um cátion e as 
moléculas de água ocupam as cavidades ou poros da estrutura 
Al – O – Si.
 Moléculas neutras pequenas – gás carbônico, amônia e 
hidrocarbonetos (incluindo aromáticos) também podem se adsorver 
nas superfícies internas.
 Quando M = H+ viram ácidos muito fortes – catalisadores na 
indústria petroquímica – ex. desidratação do metanol produzindo 
gasolina.
 São altamente seletivas – apenas moléculas de tamanhos 
específicos podem entrar ou sair das cavidades onde a catálise 
ocorre.
 Capacidade de se ligar e estabilizar apenas os estados de transição 
que se ajustem perfeitamente aos seus poros.
 Mecanismo da catálise – simulação computacional – previsão da 
migração através dos canais e sítios ativos apropriados.
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EXEMPLOS
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EXERCÍCIO 2 – ENADE 2005
40
EXERCÍCIO 4 – ENADE 2008
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PARA CASA
 Leitura do Artigo postado na sala virtual:
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