Na catálise heterogênea, os reagentes e o catalisador formam um sistema com mais de uma fase.
A catálise ocorre quando são usadas substâncias capazes de acelerar a velocidade em que se processa determinada reação química. Essas substâncias são os chamados catalisadores. Eles não são consumidos durante a reação, mas são totalmente regenerados ao final do processo.
As catálises são muito empregadas nas indústrias químicas, havendo dois tipos distintos. Uma é a catálise homogênea, em que tanto os reagentes quanto o catalisador usado estão na mesma fase, formando um sistema monofásico ou homogêneo; e o outro tipo é a catálise heterogênea, que, como você já deve ter imaginado, é aquela em que os reagentes estão em uma fase, e o catalisador, em outra, formando um sistema polifásico ou heterogêneo.
A seguir temos a reação de produção da amônia a partir dos gases nitrogênio e oxigênio com o uso do ferro como catalisador. Observe que, enquanto os reagentes e o produto estão na fase gasosa, o catalisador está na fase sólida, formando um sistema bifásico:
Reação de produção da amônia
Um exemplo de uso industrial da catálise heterogênea é o método de produção do ácido nítrico, conhecido como processo de Ostwald, que recebeu esse nome em homenagem ao seu descobridor, o químico Wilhelm Ostwald (1853-1932).
Cientista Wilhelm Ostwald
Uma das etapas desse processo é a oxidação da amônia, com o uso da platina como catalisador:
Reação de oxidação da amônia com uso da platina em catálise heterogênea
Assim como o primeiro exemplo que foi dado, aqui também o catalisador é sólido, enquanto os participantes da reação estão no estado líquido. Além do catalisador, esse processo também é feito em elevadas pressões e temperaturas. O NO formado é depois transformado em NO2, que, por sua vez, é convertido em ácido nítrico (HNO3).
Outro exemplo de catálise heterogênea realizada em indústrias é o processo de produção da margarina. Conforme o texto Origem da Margarina e Reações de Hidrogenação, a obtenção industrial da margarina ocorre por meio de reações de hidrogenação (adição de hidrogênio - H2) em moléculas de óleos vegetais.
Os óleos diferenciam-se das gorduras como a margarina somente pelo fato de possuírem insaturações (ligações duplas) entre os carbonos de suas cadeias. Mas com a hidrogenação, essas insaturações são rompidas e substituídas por ligações com os hidrogênios, formando cadeias saturadas (somente com ligações simples entre carbonos), que constituem as gorduras.
Para acelerar essas reações, são usados metais como catalisadores, tais como o níquel, a platina e o paládio. Observe um exemplo desse tipo de reação a seguir:
Exemplo de reação de hidrogenação
O óleo é líquido, o hidrogênio é gasoso, e o catalisador (níquel em pó) é sólido. Assim, esse é um exemplo de catálise heterogênea.
Normalmente os catalisadores atuam diminuindo a energia de ativação da reação, tornando mais fácil a sua realização, por isso, ela ocorre com uma maior velocidade. Porém, nesse exemplo, não é assim que o catalisador atua. Na verdade, seu mecanismo ocorre por adsorção.
As moléculas do gás hidrogênio aderem-se à superfície do metal níquel, o que enfraquece as suas ligações, que acabam sendo rompidas. Desse modo, são liberados hidrogênios isolados (H) que reagem mais facilmente com as moléculas de óleo do que se estivessem na forma de gás hidrogênio (H2).
Esquema de mecanismo de catálise heterogênea
Quanto maior a superfície de contato do níquel, mais eficiente é a sua atuação, pois ele adsorve mais moléculas de hidrogênio. É por isso que ele é usado na forma de pó. Ao final da reação, esse catalisador é totalmente recuperado.
O processo que ocorre nos conversores catalíticos ou catalisadores automotivos também é um exemplo de catálise heterogênea. Veja mais sobre isso no texto a seguir: