Un catalizzatore è una sostanza che interviene in una reazione

Un catalizzatore è una sostanza che interviene in una reazione chimica aumentandone la velocità ma
rimanendo inalterato al termine della stessa. L'aumento di velocità viene reso possibile grazie alla
diminuzione dell'energia di attivazione (energia potenziale), che deve essere raggiunta per far sì che i
reagenti evolvano poi spontaneamente verso il prodotto/i. Un catalizzatore, in generale, modifica il
"meccanismo di reazione" della reazione a cui partecipa tramite un percorso reattivo alternativo al quale
compete una minore energia di attivazione.
CATALISI ENZIMATICA
Le cellule risolvono il problema del superamento di questa energia grazie agli enzimi.
La catalisi enzimatica è un tipo di catalisi realizzata da catalizzatori proteici detti enzimi. È la catalisi con la
quale avvengono praticamente tutte le reazioni biochimiche.
Gli enzimi sono i catalizzatori dei sistemi biologici. La stragrande maggioranza degli enzimi sono proteine
(proteine enzimatiche). Una piccola minoranza di enzimi sono molecole di RNA.
Il processo di catalisi indotto da un enzima consiste in una accelerazione della velocità della reazione. Un
enzima accelera unicamente le velocità delle reazioni chimiche, senza intervenire sui processi che ne
regolano la spontaneità. Gli enzimi non risultano alterati dopo la reazione e quindi si possono riutilizzare.
Una singola molecola enzimatica può catalizzare decine di migliaia di reazione per ottenere lo stesso tipo di
molecola, per questo gli enzimi sono molto efficaci anche in piccole quantità. Si conoscono attualmente più
di 2000 enzimi differenti, ognuno dei quali in grado di catalizzare una specifica reazione chimica. Grazie agli
enzimi le cellule sono anche in grado di portare a termine reazioni chimiche a temperature relativamente
basse. Gli enzimi sono generalmente termolabili, cioè molto sensibili alle alte temperature. Riscaldandoli
essi perdono al loro attività in seguito alla denaturazione.
Alcuni enzimi sono molecole di RNA; tutti gli altri sono proteine complesse , formate da una o più catene
polipeptidi che. Queste catene sono piegate in modo da formare una tasca, nella quale si incastra il
substrato(molecola su cui agisce un enzima ); questa parte della molecola, in cui avvengono le reazioni
catalizzate dall’enzima, è detto sito attivo. Avvenuta la reazione, il prodotto viene allontanato dall'enzima,
che rimane disponibile per iniziarne una nuova.
La maggior parte degli enzimi presenta una notevolissima specificità dato che c’è un’assoluta
corrispondenza tra il substrato e il sito attivo dell’enzima. Esistono in ogni caso anche diversi enzimi
caratterizzati da una specificità relativamente più bassa. Diversi enzimi sono infatti in grado di agire su un
numero ampio di substrati.
Alcuni degli enzimi che mostrano la maggiore specificità sono coinvolti nella replicazione e nell'espressione
del genoma. Tali enzimi presentano meccanismi di proof-reading (correzione di bozze). Ad esempio enzimi
come le DNA-polimerasi sono in grado di catalizzare inizialmente la reazione di elongazione del filamento di
DNA, quindi di valutare in un secondo momento l'efficienza e la correttezza dell'operazione stessa. Questo
processo in due passaggi permette di ridurre enormemente gli errori compiuti.
Modello chiave-serratura
Il primo modello ad essere stato messo a punto per spiegare la specificità degli enzimi è quello suggerito da
Hermann Emil Fischer nel 1894, secondo il quale l'enzima ed il substrato possiedono una forma
esattamente complementare che ne permette un incastro perfetto. Tale modello è spesso definito come
chiave-serratura. In ogni caso tale modello esplica bene la specificità degli enzimi.
Modello dell'adattamento indotto
Nel 1958 Daniel Koshland propose una modifica del modello chiave-serratura: dal momento che gli enzimi
sono strutture relativamente flessibili, egli suggerì che il sito attivo potesse continuamente modellarsi in
base alla presenza o meno del substrato. Come risultato, il substrato non si lega semplicemente ad un sito
attivo rigido, ma genera un rimodellamento del sito stesso, che lo porta ad un legame più stabile in modo
da portare correttamente a termine la sua attività catalitica.
Gli inibitori enzimatici sono sostanze in grado di diminuire o annullare l'azione catalitica di un enzima.
Possono agire legandosi al sito attivo competitivamente al substrato . L'inibizione può essere reversibile,
rendendo possibile il ripristino della funzione catalitica dell'enzima, o irreversibile con l'impossibilità di
potere ripristinare l'attività catalitica. Gli induttori, invece, sono sostanze in grado di interagire con i siti
enzimatici in modo da aumentare la funzionalità dell'enzima.
Molti enzimi richiedono la presenza di specifiche sostanze per poter svolgere le loro funzioni; tali sostanze,
non proteiche e a basso peso molecolare, hanno un ruolo fondamentale per il processo enzimatico e sono
chiamati cofattori. Anche certe molecole organiche non proteiche possono intervenire come cofattori
enzimatici; queste molecole sono chiamate coenzimi e si legano all’enzima , in genere molto vicino al suo
sito attivo. Molte vitamine sono coenzimi o parte di essi.
MARMITTA CATALITICA
La marmitta catalitica è un dispositivo
incorporato nel sistema di scarico di
un’automobile che limita le emissioni di gas
inquinanti perché permette il filtraggio
quasi totale delle sostanze più nocive
contenuti nei gas di scarico. L’efficacia e la
durata di questo dispositivo è condizionata
dalla qualità del carburante. Inoltre il
rendimento ottimale si ha quando il motore
raggiunge una certa temperatura, pertanto
l’inquinamento dell’aria è più alto subito dopo l’accensione della macchina e diminuisce dopo un
po’ che è stato avviato.
La marmitta catalitica è un dispositivo incorporato nel sistema di scarico di un’automobile che
riduce la quantità di sostanze inquinanti nei suoi gas di scarico. Essa contiene un elemento in
ceramica, con struttura a nido d'ape, rivestito di una pellicola sottile di metalli catalizzatori quali il
palladio, il rodio e il platino (3 o 4 grammi). Quando i gas di scarico passano attraverso il
convertitore catalitico, questi metalli favoriscono le reazioni chimiche che trasformano gli agenti
inquinanti, come monossido di carbonio ossidi di azoto e certi idrocarburi, in composti innocui,
come anidride carbonica azoto e acqua. Le automobili dotate di tale dispositivo devono utilizzare
benzina senza piombo, poiché, in caso contrario, i metalli catalizzatori verrebbero ricoperti da
piombo e cesserebbero di funzionare in modo adeguato.
Un convertitore catalitico può essere ossidante, riducente o trivalente.
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Riducente (detto one-way in quanto agisce sul principale inquinante): usato per i motori diesel, a
base di rodio (Rh), in grado di ridurre gli ossidi di azoto (NOx) in ossigeno ed azoto.
Ossidante (detto Two-way in quanto agisce sui due principali inquinanti): usato per i motori ad
accensione comandata, a base di Platino e/o Palladio, in grado di ridurre monossido di carbonio
(CO) ed idrocarburi incombusti (HxCx).
Trivalente o Ossidante e riducente (detto three-way in quanto agisce sui tre principali inquinanti);
caratterizzato da un primo catalizzatore riducente e da un secondo catalizzatore ossidante, è
impiegato nei motori a benzina ed a gas con combustione stechiometrica e dotati di controllo
lambda si differenzia a sua volta in due tipi:
1) Il catalizzatore a ciclo aperto
nei dispositivi dove si usa l'ossido di cerio (CeO2), che immagazzina l'ossigeno in eccesso nei gas di
scarico in condizioni di miscela magra e successivamente viene rilasciato durante le fasi di miscela
ricca, ha un rendimento non costante in funzione del regime del motore. L'ossigeno è
fondamentale per il secondo catalizzatore ossidante, in modo d'ossidare CO e idrocarburi
incombusti e trasformarli in elementi meno inquinanti.
2) Il convertitore catalitico a ciclo chiuso
è in grado di ottimizzare la conversione grazie alla sonda lambda, che inviando la rilevazione dell'O2
ad una centralina elettronica, permette a questa di variare la quantità di benzina immessa nella
camera di combustione, in modo da riportare il rapporto di miscela (kg aria/kg combustibile) entro
l'intervallo di efficienza ottimale del catalizzatore o meglio conosciuto come lambda 1.
Un catalitico ossidante può essere usato anche in applicazioni speciali quali abbattimento odori da
torrefazione di caffè o ossidazione di idrocarburi nel trattamento di terreno inquinato
CATALIZZATORI CHIMICI
Nell’industria chimica è estesissimo l’impiego di catalizzatori, sia per facilitare i processi sia per compiere
sintesi di prodotti altrimenti inaccessibili o antieconomici dal punto di vista della produzione.
Talvolta i catalizzatori sono attivati mediante l’aggiunta di piccole quantità di altre sostanze(ad esempio il
rodio attiva il ferro nella sintesi dell’ammoniaca).
Una proprietà importante di un catalizzatore industriale è la durata della sua attività catalitica ed infatti
quando perde di attività deve essere rigenerato.
Ci sono delle importanti differenze tra i catalizzatori industriali e quelli biologici:
1) nell’industria si può usare lo stesso catalizzatore per accelerare molte reazioni diverse. Invece i
catalizzatori biologici sono specifici, cioè ognuno di essi accelera un unico tipo di reazione.
2) Nell’industria le reazioni chimiche anche se catalizzate, avvengono con velocità sufficiente solo a
temperatura e pressioni elevate (centinaia di gradi e decine o centinaia di atmosfere). Invece i catalizzatori
biologici lavorano con efficienza anche a temperature e pressione dell’ambiente.
La catalisi è usata soprattutto nell’industria farmaceutica e petrolifera.
Nell’industria petrolifera i processi di cracking per la produzione di benzine, e di reforming per il
miglioramento delle loro proprietà, sono opera di catalizzatori a base rispettivamente di silice-allumina e di
platino.
La disattivazione(o deattivazione o decadimento) di un catalizzatore è un processo di degradazione nel
tempo di un catalizzatore, a cui è associata una perdita di attività o selettività del catalizzatore stesso.
La disattivazione di un catalizzatore può avvenire per:
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Degradazione termica
o sinterizzazione : agglomerazione delle particelle del catalizzatore, in modo da diminuire la
superficie per lo scambio di materia. Dovuto alle alte temperature.
Invecchiamento
Avvelenamento : nel caso in cui un composto presente nell'ambiente di reazione (prodotto,
solvente, ecc.) si leghi al catalizzatore in modo permanente, si parla di avvelenamento del
catalizzatore, che perde così la sua efficacia. In alcuni casi si avvelena volontariamente parte del
catalizzatore per modularne l'efficacia, consentendo così l'ottenimento di intermedi di reazione
altrimenti non sintetizzabili.
Sporcamento: ricoprimento della superficie da polveri.
o coking: caso particolare, in cui la superficie subisce un ricoprimento da parte di particelle di
carbone; queste particelle si possono rimuovere con l’ossidazione.
Volatilizzazione dei componenti attivi.