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Catalizzatore in equilibrio chimico

1850
Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 1850.

Un catalizzatore aumenta la velocità sia della reazione diretta che di quella inversa in egual misura, fornendo un percorso di reazione alternativo con un'energia di attivazione inferiore. Sebbene un catalizzatore consenta a un sistema di raggiungere l'equilibrio molto più rapidamente, non modifica la posizione dell'equilibrio stesso. Le concentrazioni di equilibrio di reagenti e prodotti, e il valore della costante di equilibrio K, rimangono invariati.

The function of a catalyst can be visualized using a reaction energy profile diagram. The catalyst lowers the energy of the transition state, which is the peak of the energy barrier between reactants and products. Crucially, it lowers this barrier by the same amount for both the forward and reverse reactions. This means the activation energy for the forward reaction ([lattice]E_{a,fwd}[/latex]) and the activation energy for the reverse reaction ([latex]E_{a,rev}[/latex]) are both reduced, but the difference between them, which corresponds to the overall enthalpy change of the reaction ([latex]\Delta H = E_{a,fwd} – E_{a,rev}[/latex]), is not affected.

Since the equilibrium constant K is related to the standard Gibbs free energy change ([latex]\Delta G^{circ} = -RT \ln K[/latex]), and catalysts do not alter the thermodynamics ([latex]\Delta G^{circ}[/latex], [latex]\Delta H^{circ}[/latex]) of the overall reaction, they cannot change the value of K. Their role is purely kinetic, enabling the system to achieve the thermodynamically favorable equilibrium state in a shorter amount of time. This is vital in industrial processes where reaching equilibrium quickly is economically necessary, as many thermodynamically favorable reactions are too slow to be practical without catalysis.

UNESCO Nomenclature: 2209
– Physical chemistry

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Equazione di Arrhenius che collega la velocità di reazione all'energia di attivazione
  • concetto di energia di attivazione
  • prime osservazioni di sostanze che accelerano le reazioni senza essere consumate (ad esempio, da Kirchhoff, Davy)

Applicazioni

  • convertitori catalitici nelle automobili per ridurre le emissioni nocive
  • enzimi nei sistemi biologici che agiscono come biocatalizzatori
  • Processo Haber-Bosch con catalizzatore al ferro
  • processo di contatto utilizzando un catalizzatore di ossido di vanadio(v)
  • raffinazione e cracking del petrolio

Brevetti:

NA

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