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J. Carles Bayn Universitat Autnoma de Barcelona joancarles.bayon@uab.es CATLISIS EN LA INDUSTRIA QUMICA Y EN LA VIDA COTIDIANA Procesos catalticos homogneos y heterogneos de relevancia industrial

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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:

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Frmacos Catlisis:

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P f = -25C P eb = 43C Ludwig Mond (1839-1909) 1890

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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

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Catalizada versus no catalizada

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ABONOS 1/2 N 2 + 3/2 H 2 NH 3 H= - 309 kJmol -1 1909

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ABONOS Abono natural (mineral): NaNO 3 (KNO 3 ) Abono sinttico: 25% NO 3 - 8 % NH 4 + P, S, K, Mg,

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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

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APLICACIONES ACTUALES Hidrogenacin de las olefinas de la nafta Obtencin de margarinas

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Aceite vegetal Margarina H2H2 Ni

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H2H2 RhCl(PPh 3 ) 3 disuelto en EtOH ivermictina disuelto en EtOH

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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:

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ivermictina H2H2 RhCl(PPh 3 ) 3 disuelto en EtOH H2H2

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Selectividad (en un producto) es el cociente entre los moles de producto obtenidos y los moles de reactivo consumidos DEFINICIN:

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SELECTIVIDAD: A B + catalizador

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A B control sobre la selectividad de las reacciones mediante el catalizador

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Catalizador heterogneo Catalizador homogneo Ni todas las molculas de catalizador son iguales multi site selectivopoco selectivo muy activospoco activos separacin difcilseparacin fcil

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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

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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

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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

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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