Catalizzatori: qualche annotazione

La cinetica è quella branca della chimica che si occupa della velocità delle reazioni chimiche e dei fattori che la influenzano: natura dei reagenti, stato di suddivisione (solidi), concentrazione (soluzioni), temperatura e presenza di catalizzatori.

La definizione di catalizzatore data da Wilhelm Ostwald (1853-1932) nel 1895 è tuttora valida ai fini didattici e divulgativi: un catalizzatore è una sostanza che accelera una reazione chimica e ricompare inalterata al termine della reazione, senza modificare la posizione di equilibrio della reazione stessa.

Ostwald perfezionò la sintesi dell'acido nitrico per ossidazione catalitica dell'ammoniaca e vinse il premio Nobel per la chimica nel 1909. Il 12 dicembre di quell'anno pronunciò a Stoccolma una memorabile Lectio sulla catalisi. 

Al premio di Ostwald sono seguiti molti altri Nobel dedicati a questo ambito della ricerca, che ha attraversato tutto il XX secolo e oltre, fino a noi, oggi: lo sviluppo di catalizzatori efficienti, selettivi e meno tossici, che promuovano l'uso di risorse rinnovabili, la riduzione degli scarti, l'impiego di condizioni di reazione più blande e il risparmio energetico è uno degli obiettivi cardine della Green Chemistry.

Il catalizzatore accelera la reazione, rende più veloce il raggiungimento dell'equilibrio, ma non cambia la quantità di reagenti iniziali o di prodotti finali, agendo sul percorso della reazione. L'effetto di un catalizzatore è definito catalisi: esso abbassa l'energia di attivazione di una reazione, permettendo una rapida formazione dello stato di transizione e la sua evoluzione verso i prodotti.

Dal punto di vista dello stato fisico, un catalizzatore può essere:

• omogeneo, se è nella stessa fase dei reagenti (es. in soluzione, come gli enzimi nel citoplasma di una cellula);
• eterogeneo, se è in una fase diversa rispetto ai reagenti (es. catalizzatore solido e reagenti gassosi).

Rispetto al comportamento in una reazione, un catalizzatore può essere:

• chemoselettivo: privilegia la formazione di un prodotto tra i tanti possibili;
• regioselettivo: orienta la posizione di attacco dei reagenti;
• stereoselettivo: definisce la formazione preferenziale di uno stereoisomero (enantiomero o diasteroisomero) rispetto a un altro, tra quelli possibili.

Riporto un approfondimento del significato di questi termini ottenuto interrogando l'intelligenza artificiale:

Alla catalisi, aspetto della chimica che da studente universitario mi aveva particolarmente affascinato, ho dedicato molti anni fa un modesto lavoro editoriale del quale propongo la copertina:

L'intelligenza artificiale, opportunamente interrogata, ha compilato la seguente scheda di lettura:

Il riassunto dei contenuti lo traccio nelle battute finali, che riporto sotto:

Suggerimenti di lettura:

• M. Capponi, Uno sguardo sulla catalisi, Momenti Aics Editore, 2017
• G. Greco, V. Iacovino, Massoni da Nobel, Mimesis Edizioni, 2021
• G. Natta, Applicazioni della catalisi nell'industria chimica organica, 1938
• G. Natta, La catalisi e le sue applicazioni per l'autarchia, Roma, 1940
• G. Natta e coll, Catalisi e cinetica applicate all'industria chimica, CLUP, 1978
• E. Polo, C'era una volta un polimero, Ed. Apogeo, 2016
• Una selezione di libri specialistici pubblicati da Wiley: