Elementi del blocco d: attività catalitica

Gli elementi del blocco d costituiscono degli ottimi catalizzatori a causa della molteplicità dei loro numeri di ossidazione che consente a questi elementi di poter variare il loro numero di ossidazione nel corso della reazione per ritornare, alla fine della stessa al loro numero di ossidazione iniziale.

Un catalizzatore è una sostanza che accelera la velocità di una reazione termodinamicamente favorita modificando il suo meccanismo e portando a una diminuzione dell’energia di attivazione.

Le caratteristiche peculiari degli elementi  del blocco d risiedono nel fatto che essi hanno orbitali d parzialmente vuoti che consentono ai reagenti di potersi coordinare sulla superficie della molecola. Ciò comporta che nei reagenti, coordinati al metallo di transizione, i legami si indeboliscono favorendo la reazione.

Esempi di attività catalitica degli elementi del blocco d

• Decomposizione del perossido di idrogeno

Il perossido di idrogeno H₂O₂ è un liquido instabile che si decompone lentamente in presenza di luce secondo la reazione:
2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂

la cui velocità può essere determinata conoscendo la quantità di O₂ che si forma nel tempo. Sono stati sperimentati come catalizzatori alcuni ossidi di metalli del blocco d e si è riscontrato che quello meno efficace è l’ossido di zinco. Si noti che lo zinco ha configurazione elettronica  [Ar] 3d¹⁰_, 4s² ed ha quindi l’orbitale d pieno. La reazione decorre con maggiore velocità con l’ossido di rame (II) ma il biossido di manganese MnO₂ è il catalizzatore più efficace.

• Idrogenazione degli alcheni

L’idrogenazione degli alcheni porta alla rottura del legame π e alla formazione dell’alcano corrispondente. La reazione avviene in presenza di catalizzatore che può essere platino, palladio o nichel. Il meccanismo proposto prevede che il metallo adsorba sulla sua superficie sia l’idrogeno che l’alchene. Essi  si vengono così a trovare legati alla superficie del metallo e possono reagire in modo concertato

 

• Formazione di acido solforico

La formazione di acido solforico avviene secondo il metodo di contatto in cui viene utilizzato lo zolfo proveniente dall’industria petrolchimica. La prima reazione prevede la reazione tra zolfo e ossigeno con ottenimento dell’anidride solforosa:

S + O₂ → SO₂

In presenza di ossigeno in eccesso alla temperatura di 450°C, alla pressione di 1-2 atm e in presenza di ossido di vanadio (V) l’anidride solforosa si ossida a anidride solforica:

2 SO₂ + O₂ → 2 SO₃

L’azione del catalizzatore nell’ossidazione dell’anidride solforosa avviene in due stadi:

• 2 SO₂ + 4 V⁵⁺ + 2 O^2- → 2 SO₃ + 4 V⁴⁺
• 4 V⁴⁺ + O₂ → 4 V⁵⁺ + 2 O^2-

Si può notare che il vanadio presente nel catalizzatore con numero di ossidazione + 5 è ridotto a numero di ossidazione +4 e successivamente rigenerato al numero di ossidazione + 5.

L’anidride solforica è adsorbita dall’acido solforico per formare l’oleum:
SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇

L’oleum è poi diluito in acqua per formare l’acido solforico concentrato:
H₂S₂O₇ + H₂O → 2 H₂SO₄