J. Carles Bayn Universitat Autnoma de Barcelona
[email protected] CATLISIS EN LA INDUSTRIA QUMICA Y EN LA
VIDA COTIDIANA Procesos catalticos homogneos y heterogneos de
relevancia industrial
Diapositiva 2
ESTRUCTURA DE LA PRESENTACIN Definiciones y conceptos
importantes Aplicaciones visibles de la catlisis Perspectiva
histrica
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La catlisis qumica es una ciencia central en una sociedad
tecnolgicamente avanzada Ms del 80% de los productos qumicos
manufacturados requieren por los menos una etapa cataltica (es
decir, emplean al menos un catalizador) La investigacin en catlisis
es indispensable para el desarrollo sostenible del planeta
CATALISIS QUMICA
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Energa y petroqumica Catlisis:
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Abonos y agroqumicos Catlisis:
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Tratamiento de residuos y contaminates
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Polmeros Catlisis:
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Detergentes Catlisis:
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Cosmticos Catlisis:
Diapositiva 10
Frmacos Catlisis:
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P f = -25C P eb = 43C Ludwig Mond (1839-1909) 1890
Diapositiva 12
Paul Sabatier 1854-1941 Premio Nobel 1912 1902
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Catlisis es una habilidad de las substancias para exaltar, por
mero contacto, la afinidad latente de los reactivos para producir
una reaccin, que de otra forma no tendra lugar Jakob Berzelius
(1835) DEFINICIN: Catalizador es una sustancia que aumenta la
velocidad con la que una reaccin alcanza el equilibrio, sin
consumirse esencialmente en esta reaccin Wilhem Ostwald (1895)
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H 2 C=CH 2 + H 2 H 3 C- CH 3 G Reaccin no catalizada G
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H 2 C=CH 2 + H 2 H 3 C- CH 3 G + Ni G Reaccin catalizada
Diapositiva 16
Catalizada versus no catalizada
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ABONOS 1/2 N 2 + 3/2 H 2 NH 3 H= - 309 kJmol -1 1909
ABONOS NH 3 + 2 O 2 HNO 3 + H 2 O H= - 309 kJmol -1
Catalizador: malla de Pt, 5% Rh, 5% Pd 1902 Proceso industrial en
1908 Wilhem Ostwald 1853-1932 Catalizador actual Wilhem Ostwald
1853-1932 Premio Nobel 1909
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ABONOS Premio Nobel 1931 Proceso industrial en 1913 1909 1/2 N
2 + 3/2 H 2 NH 3 (15-25% conversin!) Catalizador: 90% Fe( ) y
promotores (K 2 O, Al 2 O 3, MgO, SiO 2 ) 400C 200 bar F. Haber
(1868-1934) C. Bosch (1874-1940) Premio Nobel 1918
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NH 3 + 2 O 2 HNO 3 + H 2 O 1/2 N 2 + 3/2 H 2 NH 3 ABONOS 1/2 N
2 + 3/2 H 2 + 2 O 2 HNO 3 + H 2 O 1/2 N 2 + 5/4 O 2 + 1/2 H 2 O HNO
3 energa = P, T =
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Combustin estequiomtrica C 6 H 12 + 9 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O
MOTOR DE COMBUSTION Combustin en defecto de O 2 C 6 H 12 + 6 O 2 6
CO + 6 H 2 O Combustin en exceso de O 2 C 6 H 12 + 9 O 2 6 CO 2 + 6
H 2 O N 2 + O 2 NO x Convertidor cataltico NO x Rh 1/2 N 2 + x/2 O
2 Mdulo de reduccin C x H y + CO O2O2 Pt CO 2 + H 2 O Mdulo de
oxidacin
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banda de valencia banda de conduccin Fotocatlisis sobre TiO 2
Purificacin de aguas residuales con baja concentracin de
contaminantes
Diapositiva 24
APLICACIONES ACTUALES Hidrogenacin de las olefinas de la nafta
Obtencin de margarinas
Diapositiva 25
Aceite vegetal Margarina H2H2 Ni
Diapositiva 26
H2H2 RhCl(PPh 3 ) 3 disuelto en EtOH ivermictina disuelto en
EtOH
Diapositiva 27
Catalizador homogneo es el que se encuentra en la misma fase
(normalmente en disolucin) que los reactivos Catalizador heterogneo
es el que se encuentra en una fase distinta a la de los reactivos.
Normalmente el catalizador es slido y los reactivos son gases o
lquidos DEFINICIN:
Diapositiva 28
ivermictina H2H2 RhCl(PPh 3 ) 3 disuelto en EtOH H2H2
Diapositiva 29
Selectividad (en un producto) es el cociente entre los moles de
producto obtenidos y los moles de reactivo consumidos
DEFINICIN:
Diapositiva 30
SELECTIVIDAD: A B + catalizador
Diapositiva 31
A B control sobre la selectividad de las reacciones mediante el
catalizador
Diapositiva 32
Catalizador heterogneo Catalizador homogneo Ni todas las
molculas de catalizador son iguales multi site selectivopoco
selectivo muy activospoco activos separacin difcilseparacin
fcil
Diapositiva 33
O. Roelen 1917-1993 El papel de los ligandos Hidroformilacin O.
Roelen Ruhrchmie AG, 1938 300 bar 160C Selectividad 80% 20 bar 100C
Union Carbide, 1976 Selectividad 95%
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El papel de los ligandos Polimerizacin de olefinas Control del
M w, copolimerizacin Exxon, Dow, etc 1990- K. Ziegler, G. Natta
Montecatini, 1955 Polipropileno isotctico 1903-1979 1898-1973
Premio Nobel 1963
Diapositiva 35
W.S. KnowlesR. Noyori Premio Nobel 2001 K.B. Sharpless Catlisis
asimtrica El papel de los ligandos
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DEFINICIN: Objeto quiral: No contiene un eje impropio de
simetra ( no tiene plano de simetra) S -asparagina amargant R
-asparagina dola + C - OOC NH 3 H CH 2 CONH 2 + C COO - H 3 N H CH
2 CONH 2 amargadulce
Diapositiva 37
Productos enantiomricamente puros Frmacos 100 ms vendidos en
1994 50 quirales 25 enantimero puro 25 mezcla enantimeros 1998 33
frmacos quirales aprobados FDA: 32 enantimero puro 1 mezcla de
enantimeros
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Sntesis de la LEVODOPA L-DOPA (Monsanto) tratamiento sintomtico
de la enfermedad de Parkinson Rh-DIPAMP
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Selectividad de un catalizador (en un producto) es el cociente
entre los moles de producto obtenidos y los moles de reactivo
consumidos Actividad de un catalizador es una medida de la
velocidad de la reaccin en relacin al catalizador utilizado:
DEFINICIN: Estabilidad de un catalizador es una medida de su
capacidad de convertir reactivos en productos durante su tiempo de
vida:
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Ruta cataltica ECONOMA ATMICA Ruta clsica
Diapositiva 41
EL PROBLEMA DE LOS RESIDUOS Procesos sin residuos: Selectividad
Economa atmica Disolvente aceptable (o sin disolvente)
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EL PROBLEMA DE LOS RESIDUOS Segmento Produccinkg subproductos
industrial Tm/ao kg producto Qumica 10 2 -10 4 de 5 a < 50 Fina
Productos 10 4 -10 6 de
COCHE: un problema ms complicado CH 3 OH + H 2 O CO 2 + 3 H 2
H> 0 CH 3 OH + O 2 CO 2 + 2 H 2 H< 0 Catalizadores: xidos
mixtos de Cu, Zn, Al etc