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Catalizzatore in equilibrio chimico

1850
Chimico che conduce esperimenti con catalizzatori in un laboratorio d'epoca, 1850.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

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.

La funzione di un catalizzatore può essere visualizzata utilizzando un diagramma del profilo energetico di reazione. Il catalizzatore abbassa l'energia dello stato di transizione, che rappresenta il picco della barriera energetica tra reagenti e prodotti. È fondamentale notare che abbassa questa barriera della stessa quantità sia per la reazione diretta che per quella inversa. Ciò significa che sia l'energia di attivazione per la reazione diretta ([latex]E_{a,fwd}[/latex]) sia l'energia di attivazione per la reazione inversa ([latex]E_{a,rev}[/latex]) vengono ridotte, ma la differenza tra di esse, che corrisponde alla variazione di entalpia complessiva della reazione ([latex]Delta H = E_{a,fwd} – E_{a,rev}[/latex]), non viene influenzata.

Poiché la costante di equilibrio K è correlata alla variazione di energia libera di Gibbs standard (ΔG° = -RT ln K) e i catalizzatori non alterano la termodinamica (ΔG°, ΔH°) della reazione complessiva, non possono modificarne il valore. Il loro ruolo è puramente cinetico e permette al sistema di raggiungere lo stato di equilibrio termodinamicamente favorevole in un tempo più breve. Questo è fondamentale nei processi industriali in cui raggiungere rapidamente l'equilibrio è economicamente necessario, poiché molte reazioni termodinamicamente favorevoli sono troppo lente per essere pratiche senza catalisi.

UNESCO Nomenclature: 2209
- Chimica fisica

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

Idee e potenziali innovazioni

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Contesto storico

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

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