Lo schema più semplice di intervento di un catalizzatore C nella reazione fra due composti A e B è il seguente:

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1 Un catalizzatore è una sostanza (un elemento o un composto) in grado di modificare la velocità di una reazione chimica senza essere consumato alla fine della reazione stessa, rendendo possibili reazioni che in condizioni normali non procederebbero in maniera apprezzabile: i casi più eclatanti si hanno in biochimica, dove gli enzimi aumentano la velocità delle reazioni anche di volte. Lo schema più semplice di intervento di un catalizzatore C nella reazione fra due composti A e B è il seguente: C A + B AB Il catalizzatore può talvolta interagire con i reagenti ma si ritrova comunque inalterato alla fine del processo. Il catalizzatore può essere omogeneo se agisce nella stessa fase in cui sono presenti i reagenti (liquido in una soluzione per es.) oppure eterogeneo se agisce in una fase differente da quella nella quale figurano i reagenti (solido finemente suddiviso per reazioni in fase gassosa o liquida)

2 A volte, può invece capitare che un reagente (A o B nel nostro esempio) si leghi al catalizzatore in modo permanente: in questo caso si parla di avvelenamento del catalizzatore, che perde così la sua efficacia. Il catalizzatore, in generale, fornisce un meccanismo di reazione alternativo a quello diretto che conduce agli stessi prodotti ma che presenta un abbassamento del salto di energia potenziale, detto energia di attivazione, che i reagenti devono compiere per raggiungere uno stato di transizione. In ogni caso, la presenza di un catalizzatore non rende possibile una reazione termodinamicamente sfavorita, e non modifica la posizione dell'equilibrio chimico. L'energia di attivazione in chimica è l energia necessaria al sistema per iniziare un particolare processo. Spesso viene utilizzata per definire l'energia minima necessaria perché si inneschi una reazione chimica.

3 Perché una reazione avvenga (per es. tra gas) si ipotizza che sia necessaria la collisione di due molecole opportunemante orientate e dotate di un minimo livello di energia (l'energia di attivazione, appunto), tale da permettere la collisione malgrado le forze elettriche repulsive generate dalle loro nubi di elettroni esterne. Questo livello minimo di energia è in genere fornito dall'energia termica del sistema, cioè dalle energie traslazionali, vibrazionali ecc. di ogni molecola. Se l'energia disponibile è sufficiente, le forze repulsive vengono vinte e le molecole coinvolte vengono a trovarsi ad una distanza tale da poter riorganizzare i legami tra gli atomi che le compongono e dare vita a nuovi composti (prodotti della reazione). Per dare un idea intuitiva di ciò che accade in una reazione, spesso si utilizzano grafici di questo tipo:

4 La frazione di molecole di reagenti aventi energia maggiore della energia di attivazione è stimabile con la distribuzione di Boltzmann ed è, fissata la temperatura, tanto maggiore quanto più bassa è tale soglia. Il catalizzatore fornisce un percorso alternativo con una energia di attivazione minore per cui, fissate le altre condizioni, un numero maggiore di molecole dei reagenti ha energia sufficiente per dare i prodotti voluti.

5 Un esempio molto importante nella vita di tutti i giorni è rappresentato dai convertitori catalitici che trasformano molecole velenose e inquinanti come il monossido di carbonio e ossidi di azoto prodotti dagli scarichi delle automobili in molecole assai meno pericolose quali anidride carbonica e azoto. Il catalizzatore (eterogeneo) è costituito da sottili strati di metalli quali Pt, Pd e Rh depositati su un supporto ceramico, massimizzando così l area esposta (la reazioneavviene alla superficie del catalizzatore) e mantenendo la quantità totale richiesta di tali costosi metalli entro limiti da consentire un prezzo competitivo. Pt/Pd/Rh 2 CO + 2 NO 2 CO 2 + N 2 Il catalizzatore causa il chemisorbimento dissociativo di NO, gli atomi di N si ricombinano per dare N 2 che desorbe, gli atomi di O reagiscono con il CO adsorbito per dare CO 2 che a sua volta desorbe.

6 Molto spesso, un catalizzatore è formato da isole nanometriche di un metallo depositate du un substrato inerte La reattività per l ossidazione del monossido di carbonio dipende dalla dimensione delle particelle di Au depositate su supporto di Titanio Le nanotecnologie, permettendo di controllare le dimensioni delle particelle attive, aprono nuove prospettive per la realizzazione di convertitori catalitici più efficienti

7 In questo particolare campo, la Scienza dei Materiali può fornire un importante contributo: Per la comprensione del meccanismo di azione dei catalizzatori, mediante studi condotti in condizioni controllate Per lo sviluppo di nuovi catalizzatori con una maggiore resa e/o selettività La catalisi può infine rappresentare la strada per la sintesi di nuovi materiali Per approfondimenti: