Page 633 - Quimica - Undécima Edición

13.6 Catálisis 603

Catálisis heterogénea 1A
3A
En la catálisis heterogénea , los reactivos y el catalizador se encuentran en fases distintas. 4B 5B 6B 7B 8B 1B 2B Al
Por lo general, el catalizador es un sólido y los reactivos son gases o líquidos. La catáli- K Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
Ru
Zr
Pd
Rh
Mo
sis heterogénea es, con mucho, el tipo más importante de catálisis en la industria química, WRe Os Ir Pt Au
especialmente en la síntesis de muchos compuestos químicos. Aquí describiremos tres
ejemplos específi cos de catálisis heterogénea que intervienen en la producción anual de Metales y compuestos derivados
de ellos que se utilizan con mayor
millones de toneladas de productos químicos en escala industrial.
frecuencia en la catálisis heterogé-
nea.
La síntesis de Haber del amoniaco
El amoniaco es una sustancia inorgánica de gran valor que se utiliza en la industria de los
fertilizantes, en la manufactura de explosivos y en muchas otras áreas. A fi nales del siglo
xix, muchos químicos se esforzaron por sintetizar amoniaco a partir de nitrógeno e hidró-
geno. La fuente de nitrógeno atmosférico es prácticamente inagotable, y el hidrógeno
gaseoso se produce con facilidad pasando vapor sobre carbón calentado:

H 2 O(g) 1 C(s) ¡ CO(g) 1 H 2 (g)
El hidrógeno también puede obtenerse como subproducto de la refi nación del petróleo.
La formación de NH 3 a partir de N 2 y de H 2 es exotérmica:

N 2 (g) 1 3H 2 (g) ¡ 2NH 3 (g) ¢H° 5292.6 kJ/mol

Pero la rapidez de la reacción es extremadamente lenta a temperatura ambiente. Para que
una reacción sea una operación práctica a gran escala, debe proceder con una rapidez
apreciable y debe dar un alto rendimiento del producto deseado. Al aumentar la tempera-
tura se acelera la reacción anterior, pero al mismo tiempo se promueve la descomposición
de moléculas de NH 3 en N 2 y H 2 , lo que reduce el rendimiento de NH 3 .
En 1905, después de probar literalmente con cientos de compuestos a varias tempe-
raturas y presiones, Fritz Haber descubrió que el hierro, más un pequeño porcentaje de
óxidos de potasio y aluminio, cataliza la reacción del hidrógeno con el nitrógeno para
producir amoniaco, aproximadamente a 500°C. Este procedimiento se conoce como el
proceso Haber .
En la catálisis heterogénea, la superfi cie del catalizador sólido por lo general es el
sitio donde se lleva a cabo la reacción. La etapa inicial en el proceso Haber implica la
disociación del N 2 y del H 2 en la superfi cie del metal (fi gura 13.24). Aunque las especies
disociadas no son en realidad átomos libres porque están unidos a la superfi cie del metal,
éstos son muy reactivos. Las dos moléculas de reactivos se comportan de manera muy
diferente sobre la superfi cie del catalizador. Los estudios han demostrado que el H 2 se
disocia en hidrógeno atómico a temperaturas de 2196°C (el punto de ebullición del ni-
trógeno líquido). Por otra parte, las moléculas de nitrógeno se disocian aproximadamente

8n 8n
Figura 13.24 La acción catalítica en la síntesis del amoniaco . Primero las moléculas H 2 y N 2 se unen a la superfi cie del catalizador.
Esta interacción debilita los enlaces covalentes de las moléculas y, por último, ocasiona que se disocien. Los átomos de H y de N,
altamente reactivos, se combinan para formar moléculas de NH 3 , que abandonan la superfi cie.