La actividad catalítica , o actividad catalítica , es una característica de un catalizador que expresa su propiedad de acelerar una reacción química . [1] Cuanto mayor sea la actividad del catalizador, mayor será la velocidad de reacción química que se puede lograr con este catalizador.
La alta actividad del catalizador es el principal requisito para ello [2] . Sin embargo, la actividad del catalizador puede cambiar como resultado de la acción de muchos factores, lo que tiene una gran importancia práctica. A continuación se enumeran algunos de los factores que pueden afectar la actividad catalítica.
La actividad depende de la cantidad de componentes activos en la composición del catalizador. Un aumento en su contenido aumenta el número de centros activos, lo que implica un aumento en la actividad global del catalizador, mientras que la actividad de cada centro individual permanece sin cambios [3] .
La actividad de los catalizadores en la catálisis heterogénea depende fuertemente del tamaño y condición de su superficie, por lo tanto, en muchos casos, el método de fabricación del catalizador es importante. Así, por ejemplo, un catalizador de cobre preparado por descomposición térmica de sales de cobre en condiciones de no equilibrio tiene una actividad catalítica significativa en la reacción de hidratación del alcohol . Por el contrario, el cobre depositado electrolítica y químicamente prácticamente no muestra propiedades catalíticas en la misma reacción [4] .
La actividad del catalizador también puede cambiar debido a la desorción del material. Por ejemplo, se observó un aumento en la actividad catalítica de la zeolita durante la desorción de amoníaco de la superficie del catalizador en la reacción de craqueo del cumeno [5] .
La temperatura también puede hacer una contribución significativa al cambio en la actividad catalítica . Por ejemplo, un catalizador puede estar activo dentro de un cierto rango de temperatura y mucho menos activo fuera de esos rangos de temperatura. Por ejemplo, la actividad óptima de un catalizador de níquel se logra a 320 °C y, a temperaturas superiores a 450 °C, el níquel pierde significativamente sus propiedades catalíticas [6] . El catalizador de platino-flúor con la adición de óxido de aluminio en la reacción de isomerización del n - pentano es óptimamente activo a una temperatura de 450 °C, y con una disminución o aumento de la temperatura, la actividad catalítica disminuye [7] .
La actividad del catalizador disminuye como resultado de un proceso comúnmente denominado envejecimiento del catalizador. Este proceso, muy probablemente, procede tanto química como térmicamente, así como mecánicamente, y está asociado con la recristalización de la superficie del catalizador, su recubrimiento con polvo, la deposición de sustancias extrañas sobre ella, etc. [8]
Además, la actividad catalítica cambia cuando se usan promotores y venenos para catalizadores (ver más abajo).
La actividad se cuantifica como la diferencia entre la velocidad de una reacción en determinadas condiciones y la velocidad de la misma reacción en ausencia de un catalizador. El valor de actividad se utiliza para una evaluación comparativa de catalizadores durante su selección, así como para caracterizar la calidad del catalizador. Según el tipo de catálisis, la actividad suele expresarse en términos de la velocidad de reacción por unidad de concentración, volumen o masa del catalizador. [una]
Homogénea se llama catálisis, en la que el catalizador y los reactivos están en la misma fase . En catálisis homogénea, para la comparación y caracterización del catalizador, se utiliza la velocidad de reacción por unidad de concentración del catalizador. [una]
En la catálisis heterogénea, el catalizador y los reactivos se encuentran en diferentes fases. Por lo general, el catalizador en este caso es un sólido y todas las reacciones tienen lugar en la superficie del catalizador. En este caso, la actividad catalítica se calcula por unidad de superficie del catalizador y se denomina actividad específica del catalizador. En la práctica, generalmente intentan aplicar el catalizador sobre una superficie porosa, lo que aumenta el área de la superficie activa del catalizador y aumenta la eficiencia del catalizador manteniendo sus dimensiones lineales.
Actividad de la unidad de volumenLa actividad catalítica de una unidad de volumen de un catalizador se puede expresar mediante la siguiente fórmula [9] :
W = A × S × η,
dónde
W es la actividad catalítica por unidad de volumen del catalizador; A es la actividad específica del catalizador, S es el área superficial total del catalizador por unidad de volumen; η es el grado de utilización del catalizador.
El área superficial de una unidad de volumen de un catalizador se puede determinar por el tamaño de las partículas que componen un solo grano de catalizador y por su densidad. Si el tamaño de partícula disminuye, entonces la actividad por unidad de volumen del catalizador aumenta solo en la región de partículas relativamente grandes. Con una mayor disminución de su tamaño, la actividad comienza a verse afectada por la difusión interna , que se lleva a cabo al principio de acuerdo con la ley molecular y luego se describe mediante las leyes de difusión de Knudsen .
Es posible un mayor aumento de la actividad durante la transición a la llamada. estructuras bidispersas que consisten en pequeñas partículas densas combinadas en partículas porosas más grandes. La transición a estructuras bidispersas permite aumentar la actividad catalítica en un factor de 5 a 8 [10] .
Número de revolucionesLa actividad de los catalizadores también se puede caracterizar por el número de recambio del catalizador, que se considera igual al número de moléculas de reactivo convertidas por una molécula de catalizador por segundo [11] . Para catalizadores nucleofílicos y básicos en condiciones normales, este número es 10–7–10–2 s – 1 ; para catalizadores ácidos y electrofílicos , 10–4–10–1 s – 1 ; para enzimas , hasta 106 s – 1 [ 12] , y en el caso de enzimas catalíticamente perfectas - hasta 4×10 7 , como en el caso de la catalasa [13] .
Valores constantesPara comparar varios catalizadores, también se utilizan los valores de las constantes de velocidad de reacción (con su orden sin cambios cuando se usan diferentes catalizadores) o la energía de activación de la reacción manteniendo el factor A (que caracteriza la frecuencia de las colisiones moleculares) en la ecuación de Arrhenius [1] .
Artículo principal: Cathal
Según el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de medida de la actividad del catalizador es el catal. 1 catal es igual a la actividad del catalizador a la que la velocidad de una reacción química aumenta en 1 mol por segundo.
Artículo principal: Promotores
Artículo principal: venenos catalíticos
Una sustancia que aumenta la actividad catalítica se llama promotor . Por ejemplo, la actividad catalítica del óxido de vanadio (V) con respecto a la reacción de oxidación del dióxido de azufre aumenta con la adición de pequeñas cantidades de sulfatos de metales alcalinos [14] .
Las sustancias extrañas que reducen drásticamente la actividad de un catalizador se denominan venenos para catalizadores . Como regla general, se trata de agua o impurezas nocivas , de las cuales los reactivos buscan eliminarse antes de la reacción catalítica.