Deidrogenazione di alcani: esempi, catalizzatori

La deidrogenazione è la reazione opposta all’idrogenazione che comporta la rimozione di idrogeno da un composto.

Nel caso della deidrogenazione degli alcani il prodotto di reazione è un’olefina secondo la reazione generale:
CnH2n+2 → CnH2n- 2m + m H2

La reazione è molto importante nel processo di cracking della raffineria, dove gli idrocarburi saturi vengono convertiti in olefine.  Il processo viene applicato a materie prime idrocarburiche appropriate come, ad esempio la nafta per produrre grandi volumi di etene, propene, derivati ​​del butene e derivati ​​del butadiene necessari come materie prime per l’industria dei prodotti chimici organici.

Reazione di deidrogenazione

La deidrogenazione, contrariamente all’idrogenazione che è una reazione di addizione, è una reazione di eliminazione.
È una reazione di ossidazione: si consideri, ad esempio, la deidrogenazione dell’etano che dà, come prodotto di reazione, l’etene.

Nell’etano il carbonio, legato a tre atomi di idrogeno ha numero di ossidazione – 3, mentre nell’etene il carbonio legato a due atomi di idrogeno ha numero di ossidazione -2.
La deidrogenazione è pertanto detta ossidativa. La reazione avviene grazie a un catalizzatore che in genere è di tipo bimetallico.

Gli alcheni a basso peso molecolare sono sempre più richiesti dal mercato a causa del loro uso nella produzione di plastica, gomma e intermedi chimici.

L’aumento del prezzo del petrolio ha spinto quindi a cercare soluzioni alternative ai metodi più comuni per ottenere gli alcheni in quanto lo steam cracking e il cracking catalitico a letto fluido utilizzano il petrolio.

La deidrogenazione catalitica degli alcani leggeri, ottenuta da gas naturale, rappresenta quindi un’alternativa interessante. Offre il vantaggio di avere una elevata selettività e costi minori e l’idrogeno ottenuto può essere utilizzato come combustibile.

La deidrogenazione è una reazione endotermica e il processo è favorito ad alte temperature e a bassa pressione.

Catalizzatori

I tipi di catalizzatori utilizzati sono quelli a base di platino e quelli costituiti da ossidi metallici e specialmente da ossidi di cromo CrOx.

Il platino è particolarmente efficiente nell’attivazione del legame C-H ma possono verificarsi reazioni indesiderate come l’idrogenolisi con conseguente formazione di due alcani più piccoli.
Inoltre il platino tende a disattivarsi a causa della formazione di depositi di coke sulla superficie. Si preferisce quindi usare leghe bimetalliche in cui è presente anche un altro metallo e principalmente lo stagno; possono essere utilizzati anche indio, , germanio o zinco.

Oltre ai catalizzatori a base di platino possono essere utilizzati diversi ossidi sono in grado di attivare i legami C-H.

L’ossigeno gioca infatti un ruolo importante nella formazione di un legame O-H dopo la rottura del legame C-H. Tuttavia, il ruolo cruciale è giocato dalla formazione di carbocationi che si ritiene siano responsabili dell’attivazione iniziale del legame C-H.

I primi catalizzatori a base di ossidi di cromo si svilupparono all’inizio della seconda guerra mondiale quando le fonti di gomma naturale furono improvvisamente interrotte e il butadiene doveva essere prodotto deidrogenando l’n-butano o n-butene.

Negli ultimi anni questi catalizzatori vengono usati per la deidrogenazione del propano e dell’isobutano per ottenere i monomeri di partenza per l’ottenimento di polipropilene e del poliisobutene.

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