Catálise homogênea

Catálise é o nome dado à reação química que ocorre na presença de um catalisador. Os catalisadores, por sua vez, são substâncias capazes de acelerar determinadas reações sem sofrer alterações, isto é, não são consumidos, mas são integralmente recuperados no final do processo, tanto em massa quanto em composição.

Existem dois tipos de catálise: a catálise homogênea e a catálise heterogênea. Neste artigo abordaremos a primeira delas.

A catálise homogênea ocorre quando os reagentes da reação e o catalisador formam uma mistura homogênea, ou seja, todos estão na mesma fase ou estado de agregação.

A água oxigenada (solução aquosa de peróxido de hidrogênio – H₂O₂), por exemplo, sofre uma decomposição bem lenta em condições ambientes e forma gás oxigênio e água. Para acelerar essa reação, íons iodeto podem ser utilizados como catalisadores conforme a equação química a seguir:

Exemplo de catálise homogênea da decomposição da água oxigenada

Observe que tanto o reagente quanto o catalisador estão na mesma fase (aquosa), constituindo um sistema monofásico.

Os catalisadores conseguem aumentar a velocidade das reações porque eles fornecem um novo caminho para a reação no qual é necessária uma energia de ativação menor. Eles unem-se ao reagente e formam um composto intermediário, que depois se transforma, originando o produto e regenerando o catalisador.

É exatamente isso que os íons iodeto realizam na reação acima. Seguindo esse raciocínio, veja como eles atuam:

* Reação de decomposição da água oxigenada sem catalisador e no escuro (lenta):

2 H₂O₂ → 2 H₂O + 1 O₂

* Reação de decomposição da água oxigenada com catalisador (rápida):

1ª etapa: H₂O₂ + I^- → H₂O + IO^- (composto intermediário)
2ª etapa: IO^- + H₂O₂ → H₂O + O₂ + I^-
                                  (produtos) (catalisador)
Reação global: 2 H₂O₂ → 2 H₂O + 1 O₂

Veja que o catalisador só participa das etapas intermediárias, mas não é consumido e não participa do produto final, sendo totalmente regenerado como era no princípio.

Agora vamos falar de um exemplo de catálise homogênea em que a fase formada pelo reagente e pelo catalisador é gasosa. Trata-se de uma das etapas da fabricação do ácido sulfúrico (H₂SO₄), na qual ocorre a combustão do dióxido de enxofre com formação do trióxido de enxofre:

2 SO_2(g) + O_2(g) → 2 SO_3(g)

Essa reação sem o uso de catalisadores processa-se de forma bem lenta, o que é um problema para a indústria, que precisa produzir toneladas de ácido sulfúrico. Em virtude da importância econômica dessa substância, muitas vezes o seu consumo pode indicar o grau de desenvolvimento de um país.

Assim, para acelerar essa etapa da produção, costuma-se usar o dióxido de nitrogênio como catalisador. Ele combina-se com o dióxido de enxofre e forma um composto intermediário (complexo ativado), que é o monóxido de nitrogênio (NO_(g)). Esse composto intermediário, por sua vez, reage com o gás oxigênio (O_2(g)) para a regeneração do catalisador:

                                                          _{catalisador                   complexo ativado}
Etapa 1:                2 SO_2(g) + 2 NO_2(g) → 2 SO_3(g) + 2 NO_(g)
Etapa 2:                2 NO_(g) + 1 O_2(g) → 2 NO_{2 (g)}

Reação Global: 2 SO_2(g) + O_2(g) → 2 SO_3(g)

Veja que se trata realmente de uma catálise homogênea porque todos os participantes estão na fase gasosa.

A reação com esse mecanismo feito em duas etapas necessita de menos energia de ativação para ocorrer e, por isso, processa-se mais rapidamente. Isso é mostrado pelo gráfico a seguir:

Diagrama gráfico de exemplo de catálise homogênea