Catalizadores En Haber Bosch

CATALIZADORES EN HABER BOSCH (Capitulo 3 Anexo 1)

Más del 90% de todas las reacciones de las que se vale la química industrial necesitan de un catalizador que actúe como “casamentero” de las respectivas sustancias precursoras. El término “catalizador” deriva de la palabra del griego antiguo καταλυσις (katálysis), que significa “disolución / descomposición”, porque le resultó evidente que estas sustancias no participaban de la reacción. El químico alemán y ganador del premio Nobel Wilhelm Ostwald, acuñó la definición que aún hoy es corriente: “Un catalizador es toda sustancia que sin aparecer en el producto final de una reacción química, modifica su velocidad”. Los catalizadores actúan como un “ábrete Sésamo” químico: le abren a la reacción un sendero favorable a través del “paisaje energético” que de otra forma estaría cerrado.

Durante una reacción, primero se rompen los enlaces químicos de las moléculas de partida (reactivos) para formar otros enlaces nuevos (figura 3A-1.1). Simultáneamente, se forman las moléculas de la sustancia final (producto). Sin embargo, el elevado monto de energía necesario para iniciar la reacción, muchas veces obstruye el camino de las reacciones.

Un obstáculo de energía de gran tamaño (rojo), impide que dos moléculas reaccionen (esferas azul y verde del lado izquierdo). Solo podrá haber reacción si se le aplica mucha energía, (flecha roja). El catalizador abre una vía alternativa con menor gasto energético (flecha verde): después sobre esta pendiente la reacción se desarrolla por si misma hasta obtenerse el producto final (esferas de la derecha). Fig. 3A-1.2

Fig. 3A-1.2

Los químicos distinguen dos tipos de catálisis. En la catálisis homogénea, los reactivos y el catalizador se hallan en la misma fase, por ejemplo en una solución. En la catálisis heterogénea, en cambio, “la parejita de novios” y el “casamentero” están en fases diferentes. En la síntesis del amoniaco se fija el nitrógeno atmosférico uniéndolo químicamente para formar amoniaco, con el que a su vez se produce fertilizante nitrogenado. Los científicos sabían de la enorme reserva de nitrógeno presente en el aire (que consiste en un 78% de nitrógeno molecular (N2), aunque al mismo tiempo sabían que su triple enlace químico vedaba el acceso a la sustancia, ya que los dos átomos de nitrógeno permanecen “pegados” de manera casi inseparable.

Con este truco, las nubes electrónicas de los dos átomos se completan mutuamente, ahorrándose mucha energía. Esta especie de “nuez triplemente dura” llevó al fracaso a todos los científicos hasta que, en 1909, Fritz Haber encontró la forma de “cascarla”. Descubrió que el osmio como catalizador hace posible, bajo alta presión, la síntesis del amoniaco a partir del N2.

Lamentablemente el osmio es muy escaso en la naturaleza, pero el químico Carl Bosch de la firma BASF y su asistente Alwin Mittasch encontraron un sustituto: el hierro. Este mineral en forma de diminutas nano partículas (como sabemos hoy), también demostró ser un buen catalizador. Sin embargo, la reacción requería de una presión de por lo menos 200 atmósferas y de temperaturas entre los 400 y 500 ºC. El equipo de Bosch hizo frente al desafío y construyó un reactor de flujo que podía operar de forma continua bajo esas condiciones. El reactor está formado por dos camas catalíticas aisladas térmicamente, con blanqueo intermedio y un intercambiador de tubos y coraza situado en la zona inferior, colocados dentro de una carcaza de presión aislada térmicamente; por fuera está la pared del reactor y entre ambas existe un espacio anular. El 70 % de los gases se alimenta por la entrada principal del reactor y desciende a través del espacio anular exterior con el objetivo de mantener refrigerada la pared exterior del reactor. Se ha comprobado en la práctica que el cambio de temperatura de estos gases es despreciable; entran al intercambiador de calor por el lado de la coraza, se calientan hasta la temperatura de reacción y ascienden por un tubo central aislado térmicamente hasta la parte superior del reactor, donde está la cama 1; circulan a través de ella radialmente hacia fuera, se mezclan con el 30 % de los gases frescos restantes, se enfrían y se enriquecen en reactantes, luego atraviesan la cama 2 radialmente hacia adentro, descienden por un espacio anular interior hasta el intercambiador de calor, circulan a través de los tubos, intercambian calor con la corriente de alimentación y salen del reactor. La temperatura de entrada de los gases al reactor debe ser de 130 °C aproximadamente y la de salida de 300 °C, para garantizar la eficiencia del resto del lazo; por ello el reactor es de tipo auto térmico, o sea, el calor generado por la reacción química se utiliza para precalentar los gases de alimentación. Se debe notar el aislamiento casi perfecto con que cuenta este reactor, fundamentalmente, en el tubo central y la canasta, así como un sistema de distribución y recolección de gases que determina el éxito de la operación. La circulación radial establecida en las camas permite operar con flujos elevados sin caídas de presión apreciables y con pastillas de pequeño diámetro, que facilitan el contacto íntimo entre el sólido y los gases. La caída de presión a través de todo el reactor, excluyendo los efectos entrada-salida, es sólo de 2,5 kg/cm2 (manométrica) cuando el reactor opera con una presión de entrada de 254 kg/cm2 (manométrica).

Gerhard Ertl y su equipo pudieron mostrar que el nitrógeno molecular realmente se desintegra primero. Si se cortan mono cristales prácticamente perfectos, entonces los átomos sobre estas superficies se ordenan formando un patrón regular. Los átomos de hierro de la superficie se diferencian de aquellos que se encuentran a mayor profundidad en el cristal. Allí, cada átomo está rodeado de átomos vecinos que saturan su apetito de enlaces químicos. En cambio, en la superficie, los átomos están abiertos; se podría decir que tienen una “mano química” libre. Si una molécula de nitrógeno pasa por allí, podrían enlazarla y fijarla. Pero esto sólo sucede en una millonésima parte de los casos. En la superficie de hierro, la molécula de nitrógeno fijada experimenta un paisaje energético radicalmente diferente: de pronto, el fuerte triple enlace pierde su energía acumulada. Los átomos de nitrógeno se sueltan y quedan libres. A la molécula de H2 del hidrógeno gaseoso le sucede lo mismo, pero su enlace simple ya de por sí es más débil. Los átomos de nitrógeno y de hidrógeno libres ahora pueden celebrar su “unión” química.

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