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Catalisi

1835
  • Jöns Jacob Berzelius
Chimico che conduce un esperimento di catalisi in un laboratorio storico.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Catalysis is the process of increasing the rate of a chemical reaction by adding a substance known as a catalizzatore. Catalysts are not consumed in the reaction and remain unchanged. They work by providing an alternative reaction pathway with a lower activation energy ([latex]E_a[/latex]), thereby accelerating both the forward and reverse reactions without altering the overall thermodynamics ([latex]\Delta H[/latex]).

The fundamental principle of catalysis lies in its ability to alter the kinetics of a chemical reaction without affecting its thermodynamics. A catalizzatore introduces a new reaction mechanism, often involving one or more intermediate steps. For a reaction A + B → C, a catalyst C’ might participate as follows: A + C’ → AC’ and then AC’ + B → C + C’. The catalyst C’ is regenerated at the end of the process. This alternative pathway has a lower transition state energy compared to the uncatalyzed reaction. The Arrhenius equation, [latex]k = Ae^{-E_a/(RT)}[/latex], shows that a lower activation energy ([latex]E_a[/latex]) leads to an exponential increase in the reaction rate constant (k). Importantly, the catalyst does not change the Gibbs free energy change ([latex]\Delta G[/latex]) or the equilibrium constant ([latex]K_{eq}[/latex]) of the reaction. It only affects the speed at which equilibrium is reached. This concept was first formally described by Jöns Jacob Berzelius in 1835, who observed that certain substances could accelerate reactions without being consumed, coining the term “catalysis” from Greek words meaning “to dissolve” or “to break down”.

Questo principio è visualizzato utilizzando diagrammi di coordinate di reazione, in cui il percorso catalizzato mostra un picco energetico (stato di transizione) inferiore rispetto a quello non catalizzato. Mentre la differenza energetica complessiva tra reagenti e prodotti rimane la stessa, la barriera energetica da superare si riduce significativamente. Ciò consente a una frazione maggiore di molecole di reagente di possedere energia sufficiente per reagire in caso di collisione, portando a una velocità di reazione più elevata a una data temperatura.

UNESCO Nomenclature: 2202
- Chimica fisica

Tipo

Processo chimico

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • concetti alchemici della pietra filosofale
  • osservazioni sulla fermentazione di Louis Pasteur
  • Il lavoro di Humphry Davy sull'effetto del platino sulla combustione dei gas
  • scoperta del cloro da parte di Carl Wilhelm Scheele, che in seguito trovò impiego nelle reazioni catalizzate

Applicazioni

  • sintesi chimica industriale (ad esempio, ammoniaca, acido solforico)
  • raffinazione del petrolio
  • produzione di polimeri
  • controllo dell'inquinamento (convertitori catalitici)
  • produzione farmaceutica

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • materiali autoriparanti con capsule catalizzatrici incorporate
  • catalizzatori intelligenti che si attivano solo in condizioni specifiche di luce o pH
  • catalytic systems for cattura diretta dall'aria of co2
  • reattori catalitici miniaturizzati per la sintesi chimica su richiesta nello spazio
  • catalizzatori progettati dall'apprendimento automatico per scomporre gli inquinanti persistenti
  • catalizzatori biocompatibili per la sintesi in vivo di farmaci terapeutici
  • superfici catalitiche che prevengono la formazione di biofilm
  • catalizzatori per convertire direttamente i rifiuti di plastica in prodotti chimici di alto valore
  • catalizzatori fotosensibili per la scissione dell'acqua alimentata dall'energia solare
  • catalytic nanoparticles for targeted cancer therapy
Argomenti correlati: catalisi, catalizzatore, energia di attivazione, velocità di reazione, cinetica chimica, termodinamica, percorso di reazione, Jöns Jacob Berzelius, equilibrio, stato di transizione.

Contesto storico

Catalisi

1831
1832
1834
1835
1838
1841
1845
1831
1831
1833
1834
1836
1839-01-01
1842
1847

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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