Química dos ensinos fundamental e médio · Grades 1–12

42A catálise

Um frasco de água oxigenada fica meses no armário do banheiro sem mudar. Derramada num joelho ralado, ela espuma na hora: alguma coisa do sangue faz com que ela se decomponha em segundos em água e gás oxigênio. Essa coisa não é consumida, e não aparece na equação da reação. Ela é um catalisador. Os catalisadores tornam possível a maior parte da indústria química, limpam o escapamento dos carros e comandam todas as reações da vida.

O que você já sabe

A velocidade de uma reação e os fatores cinéticos que a modificam (Capítulo 41). Um mecanismo é uma série de etapas elementares, que passam por intermediários (Capítulo 40).

42.1 O que é um catalisador

Definição 42.1 (Catalisador, catálise)

Um catalisador é uma espécie que torna uma reação mais rápida sem ser consumida: ele participa do mecanismo, mas é devolvido, intacto, no final, e não aparece na equação global. A aceleração de uma reação por um catalisador é a catálise.

Proposição 42.2 (Um catalisador muda o caminho, não o destino)

Um catalisador abre um outro mecanismo, cujas barreiras de energia são mais baixas que a da reação não catalisada, de modo que uma parte maior dos encontros entre partículas dá certo. Ele não muda os produtos formados, nem o estado final alcançado; ele só o alcança mais cedo.

Demonstração. Admitido: o perfil é estudado no volume do primeiro ano da universidade. Que o estado final não muda decorre do fato de o catalisador ser devolvido: a reação global, reagentes e produtos, é a mesma. ∎

À esquerda: a energia ao longo da reação; o caminho catalisado passa por um intermediário e por duas barreiras mais baixas. À direita: o gás oxigênio liberado por uma solução de peróxido de hidrogênio; o catalisador acelera a reação, mas o volume final é o mesmo. (Curvas de modelo.)

42.2 A catálise homogênea

Definição 42.3 (Catálise homogênea e heterogênea)

A catálise é uma catálise homogênea quando o catalisador está na mesma fase que os reagentes (por exemplo, dissolvido com eles), e uma catálise heterogênea quando ele está em outra fase, em geral um sólido cuja superfície os reagentes alcançam a partir de um gás ou de um líquido.

Exemplo 42.4 (Os íons iodeto e o peróxido de hidrogênio)

O peróxido de hidrogênio se decompõe muito devagar sozinho: $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ . Com um pouco de iodeto de potássio dissolvido nele, ele espuma na hora. O íon iodeto abre um caminho em duas etapas:

\ce{H2O2 + I- -> H2O + IO-}, \qquad \ce{H2O2 + IO- -> H2O + O2 + I-} .

Somadas, as duas etapas devolvem $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ : o íon iodeto, consumido na primeira etapa e devolvido na segunda, é o catalisador; o íon $\ce{IO-}$ é um intermediário.

Exemplo 42.5 (Os íons ferro(III))

Os íons ferro(III) também catalisam a decomposição, por meio do par $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ (Capítulo 35): primeiro eles oxidam o peróxido de hidrogênio, $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ , depois os íons ferro(II) formados são oxidados de volta por mais peróxido de hidrogênio, $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . A cor laranja-clara da solução fica esverdeada enquanto o gás é liberado, e depois volta quando o peróxido de hidrogênio acaba: sinal de que o catalisador participa e é regenerado.

42.3 A catálise heterogênea

Muitos catalisadores industriais são sólidos: metais como a platina, o paládio, o níquel ou o ferro, ou óxidos. A reação acontece na sua superfície, em três etapas: as moléculas dos reagentes ficam retidas na superfície (adsorvidas), onde as suas ligações se enfraquecem; elas reagem ali; os produtos deixam a superfície, que fica livre para novas moléculas. Por isso, um catalisador é fabricado com a maior superfície possível: pó fino, ou uma camada fina sobre um suporte poroso.

O hidrogênio se adicionando ao eteno numa superfície metálica: adsorção, reação, dessorção. O metal é devolvido intacto.

Exemplo 42.6 (O conversor catalítico)

O escapamento de um motor a gasolina contém monóxido de carbono e monóxido de nitrogênio, ambos tóxicos, e combustível não queimado. No conversor catalítico, uma colmeia de cerâmica revestida de platina e de ródio, eles reagem na superfície do metal:

\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2} ,

e os hidrocarbonetos queimam, dando dióxido de carbono e água. Os gases atravessam o conversor numa fração de segundo, depressa demais para qualquer reação sem catalisador.

Um conversor catalítico, cortado no sentido do comprimento: milhares de canais finos dão aos gases do escapamento uma enorme superfície revestida de metal.

Um conversor catalítico aberto: o núcleo em colmeia.

História — Haber, Bosch e a amônia

No início do século XX, o químico Fritz Haber descobriu como combinar o nitrogênio do ar com o hidrogênio, $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$ , sobre um catalisador à base de ferro, e o engenheiro Carl Bosch transformou isso num processo industrial. Ele ainda funciona hoje a 400– $500\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e 150– $250\,\mathrm{atm}$ . Em 2024, o mundo fabricou amônia contendo cerca de 150 milhões de toneladas de nitrogênio, a maior parte para fertilizantes: uma grande parte do nitrogênio dos alimentos que comemos passou por um catalisador desses.

42.4 As enzimas

Definição 42.7 (Enzima)

Uma enzima é uma proteína fabricada por um ser vivo que catalisa uma reação da sua química. As enzimas são muito eficientes e muito específicas: cada uma só se encaixa em algumas moléculas, e elas funcionam melhor numa faixa estreita de temperatura e de acidez.

Exemplo 42.8 (A catalase)

O peróxido de hidrogênio se forma nas células como subproduto, e é nocivo para elas. A enzima catalase, presente no sangue, no fígado e em muitos tecidos vegetais, o decompõe em água e gás oxigênio a uma velocidade enorme: é a espuma num joelho ralado, ou numa fatia de batata crua. A batata cozida não faz espuma: o aquecimento destruiu a forma da enzima.

Água oxigenada numa fatia de batata crua: a catalase em ação.

42.5 A seletividade

Definição 42.9 (Catalisador seletivo)

Quando os mesmos reagentes podem dar várias reações, um catalisador seletivo acelera uma delas muito mais que as outras, e assim decide que produtos se formam.

Exemplo 42.10 (Dois destinos para o etanol)

O vapor de etanol quente, passado sobre alumina, perde água e dá eteno, $\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ (uma eliminação); passado sobre cobre quente, ele perde hidrogênio e dá etanal, $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . O mesmo reagente, dois catalisadores, dois produtos.

Observação 42.11 (A indústria e a vida funcionam com catalisadores)

A maior parte dos produtos da indústria química, dos combustíveis aos plásticos e aos fertilizantes, é fabricada com catalisadores; encontrar um catalisador mais ativo ou mais seletivo economiza energia e resíduos. Toda reação de uma célula viva é catalisada por uma enzima.

Segurança

O peróxido de hidrogênio concentrado é um oxidante forte que pode alimentar um incêndio, queima a pele e os olhos, e é nocivo se ingerido. As soluções diluídas do laboratório ainda exigem óculos e luvas; a decomposição libera gás oxigênio, por isso nunca é feita num recipiente fechado.

42.6 Exercícios

Exercício 42.1 ★

Na decomposição do peróxido de hidrogênio catalisada pelos íons iodeto, que espécies são reagentes, quais são produtos, qual é o catalisador, qual é um intermediário?

Solução

Solução de Exercício 42.1.

Reagente: $\ce{H2O2}$ . Produtos: $\ce{H2O}$ e $\ce{O2}$ . Catalisador: $\ce{I-}$ (consumido na etapa 1, devolvido na etapa 2). Intermediário: $\ce{IO-}$ (formado na etapa 1, consumido na etapa 2).

Exercício 42.2 ★

Catálise homogênea ou heterogênea: íons iodeto em água oxigenada; platina num conversor catalítico; ferro na síntese da amônia; íons ferro(III) em água oxigenada?

Solução

Solução de Exercício 42.2.

Homogênea; heterogênea; heterogênea; homogênea.

Exercício 42.3 ★

Nos perfis de energia, que caminho tem a barreira mais alta? As energias inicial e final são as mesmas nos dois caminhos? O que isso significa para os produtos?

Solução

Solução de Exercício 42.3.

O caminho não catalisado. Os níveis inicial e final são os mesmos: os mesmos produtos se formam, com a mesma energia liberada; só o caminho difere.

Exercício 42.4 ★

Por que um catalisador não aparece na equação global de uma reação?

Solução

Solução de Exercício 42.4.

Ele é consumido numa etapa e devolvido em outra: aparece dos dois lados da soma das etapas, e se cancela.

Exercício 42.5 ★

Por que os catalisadores sólidos da indústria são usados como pós finos ou como camadas finas sobre suportes porosos?

Solução

Solução de Exercício 42.5.

A reação acontece na superfície: quanto maior a superfície, mais moléculas podem reagir ao mesmo tempo, para a mesma massa de catalisador (muitas vezes caro).

Exercício 42.6 ★★

Some as duas etapas da decomposição do peróxido de hidrogênio catalisada pelo ferro(III), e mostre que os íons ferro e os íons hidrogênio se cancelam.

Solução

Solução de Exercício 42.6.

Soma: $\ce{2Fe^{3+} + 2H2O2 + 2Fe^{2+} + 2H+ -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+ + 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . Os íons ferro e os íons hidrogênio aparecem dos dois lados e se cancelam: $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

Exercício 42.7 ★★

Leia as curvas do gás oxigênio liberado. Quanto tempo cada experimento leva para liberar a metade do volume final? Por que fator o catalisador encurta esse tempo?

Solução

Solução de Exercício 42.7.

A metade de $72\,\mathrm{mL}$ é $36\,\mathrm{mL}$ : alcançada depois de cerca de $35\,\mathrm{min}$ sem catalisador e de $3.5\,\mathrm{min}$ com ele. O catalisador encurta esse tempo dez vezes.

Exercício 42.8 ★★

A gasolina com chumbo não é usada em carros equipados com conversor catalítico: o chumbo se deposita sobre a platina e fica ali. Explique por que isso estraga o conversor, embora a platina não seja consumida pela reação normal.

Solução

Solução de Exercício 42.8.

A reação acontece na superfície da platina; o chumbo a recobre e fica ali, de modo que os gases não alcançam mais o metal. O catalisador está “envenenado”: presente, mas inútil.

Exercício 42.9 ★★

Um aluno mede a espuma produzida por fatias de batata em água oxigenada a 10, 25, 37, 60 e $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : a espuma aumenta até cerca de $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , depois diminui, e quase desaparece a $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Explique as duas partes da curva.

Solução

Solução de Exercício 42.9.

Até cerca de $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , a reação acelera com a temperatura, como qualquer reação. Acima disso, a enzima, uma proteína, perde a sua forma e, com ela, a sua atividade; a $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , ela está destruída.

Exercício 42.10 ★★

Escreva a equação da reação, num conversor catalítico, entre o monóxido de carbono e o monóxido de nitrogênio, e verifique que ela está balanceada. Por que os dois poluentes são eliminados ao mesmo tempo?

Solução

Solução de Exercício 42.10.

$\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2}$ : C 2 = 2, O 4 = 4, N 2 = 2. O monóxido de carbono é oxidado pelo monóxido de nitrogênio, que é reduzido: cada poluente elimina o outro.

Exercício 42.11 ★★

$10.0\,\mathrm{mL}$ de água oxigenada liberam $72\,\mathrm{mL}$ de gás oxigênio a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ quando decompostos completamente. Calcule a quantidade de matéria de gás oxigênio ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ ), e depois a concentração da solução em peróxido de hidrogênio.

Solução

Solução de Exercício 42.11.

$n(\ce{O2}) = 0.072 / 24.1 = 2.99 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ ; $n(\ce{H2O2}) = 2 \times 2.99 \times 10^{-3} = 5.98 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ em $10.0\,\mathrm{mL}$ : $c = 0.598\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

Exercício 42.12 ★★★

O vapor de etanol passado sobre alumina dá eteno; sobre cobre, dá etanal. Escreva as duas equações, dê a categoria da primeira e explique o que é um catalisador seletivo.

Solução

Solução de Exercício 42.12.

$\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ , uma eliminação; $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . Um catalisador seletivo acelera uma de várias reações possíveis muito mais que as outras, e assim decide o produto.

Exercício 42.13 ★★★

Um catalisador torna uma reação dez vezes mais rápida. Um aluno afirma que ele também dá dez vezes mais produto. Corrija a afirmação, usando as curvas do gás oxigênio liberado.

Solução

Solução de Exercício 42.13.

O catalisador não muda o estado final: as curvas com e sem catalisador terminam no mesmo volume de gás oxigênio. Obtém-se a mesma quantidade de produto, só que mais cedo.

Exercício 42.14 ★★★

Uma molécula de catalase decompõe alguns milhões de moléculas de peróxido de hidrogênio por segundo. Tomando $5 \times 10^{6}$ por segundo, quanto tempo uma molécula de enzima leva para decompor um mol de peróxido de hidrogênio? Quantas moléculas de enzima fariam isso em um segundo? (Um cálculo de ordens de grandeza; a velocidade é um dado do exercício.)

Solução

Solução de Exercício 42.14.

$6.02 \times 10^{23} / 5 \times 10^{6} = 1.2 \times 10^{17}\,\mathrm{s}$ , uns quatro bilhões de anos. Para fazer isso em um segundo: $1.2 \times 10^{17}$ moléculas de enzima, isto é, $2 \times 10^{-7}\,\mathrm{mol}$ .

Exercício 42.15 ★★★

O mundo fabricou cerca de 150 milhões de toneladas de nitrogênio na forma de amônia em 2024. Que massa de amônia é essa? Que quantidade de matéria de gás nitrogênio foi combinada?

Solução

Solução de Exercício 42.15.

Amônia $\ce{NH3}$ : $150 \times 17.0 / 14.0 = 182\,\mathrm{Mt}$ . Átomos de nitrogênio: $1.50 \times 10^{14} / 14.0 = 1.07 \times 10^{13}\,\mathrm{mol}$ , isto é, $5.36 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ de $\ce{N2}$ .

42.7 Problema: a água oxigenada do cabeleireiro

Problema 42.1

Problema de fim de semana — qual é a concentração da água oxigenada “20 volumes”?

Os cabeleireiros usam soluções de peróxido de hidrogênio rotuladas em “volumes”: uma solução “20 volumes” é uma solução da qual $1\,\mathrm{L}$ libera $20\,\mathrm{L}$ de gás oxigênio quando se decompõe completamente, com o gás medido a $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ e à pressão atmosférica normal, em que um mol de gás ocupa $22.4\,\mathrm{L}$ .

Parte I — A decomposição.

Escreva a equação da decomposição do peróxido de hidrogênio.
A decomposição é uma reação de oxirredução? Encontre o oxidante e o redutor (o peróxido de hidrogênio é os dois).
Por que um frasco dura meses, embora a reação seja possível?

Parte II — O que significa “20 volumes”.

Que quantidade de matéria de gás oxigênio $1\,\mathrm{L}$ da solução libera?
Deduza a quantidade de matéria de peróxido de hidrogênio em $1\,\mathrm{L}$ .
Dê a concentração molar.
Calcule a massa molar do peróxido de hidrogênio e a concentração em massa.
O que significaria “10 volumes” em mols por litro?

Parte III — Dois catalisadores.

Uma gota de sangue (catalase) e algumas gotas de cloreto de ferro(III) são acrescentadas, cada uma, a uma amostra. Que tipo de catálise é cada uma?
Escreva as duas etapas da catálise pelo ferro(III) e verifique que a sua soma é a decomposição.
Usando as curvas do gás oxigênio liberado, descreva como o volume de gás oxigênio varia com e sem catalisador, e o que continua igual.
Por que a cor de uma amostra catalisada pelo ferro(III) muda durante a reação e volta no final?
Por que uma batata cozida não faz a solução espumar?

Parte IV — O frasco.

Que volume de gás oxigênio, medido a $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , um frasco de $100\,\mathrm{mL}$ pode liberar?
Que volume é esse a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ )?
Por que a tampa de um frasco desses deve deixar o gás escapar lentamente?
Um frasco guardado por muito tempo é titulado, e encontra-se $1.50\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . Quantos “volumes” são isso agora?
Que fração do peróxido de hidrogênio se decompôs?
Dê a resposta final: qual é a concentração molar de uma água oxigenada “20 volumes”?

Solução

Solução de Problema 42.1.

1. $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

2. Sim: o peróxido de hidrogênio é o oxidante do par $\ce{H2O2}$ / $\ce{H2O}$ e o redutor do par $\ce{O2}$ / $\ce{H2O2}$ ; ele oxida e reduz a si mesmo.

3. Sem catalisador, a reação é extremamente lenta.

4. $20 / 22.4 = 0.893\,\mathrm{mol}$ .

5. Dois mols de peróxido de hidrogênio por mol de gás oxigênio: $1.79\,\mathrm{mol}$ .

6. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

7. $M = 2 \times 1.0 + 2 \times 16.0 = 34.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $C_m = 1.79 \times 34.0 = 60.7\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ .

8. A metade: $0.893\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

9. Catalase: uma enzima, dissolvida, um catalisador biológico; íons ferro(III): catálise homogênea.

10. $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ e $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ ; a sua soma é $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

11. Com um catalisador, o volume sobe muito mais depressa; as duas curvas se estabilizam no mesmo volume final.

12. Os íons ferro(III) (laranja) são transformados em ferro(II) (verde-claro) na primeira etapa e de novo em ferro(III) na segunda; no final, todo o ferro voltou a ser ferro(III).

13. A fervura destruiu a enzima.

14. $0.100 \times 20 = 2.0\,\mathrm{L}$ .

15. $n(\ce{O2}) = 0.100 \times 0.893 = 0.0893\,\mathrm{mol}$ , isto é, $0.0893 \times 24.1 = 2.15\,\mathrm{L}$ .

16. A decomposição lenta libera gás oxigênio, que aumentaria a pressão num frasco bem fechado.

17. $1.50 / 2 = 0.750\,\mathrm{mol}$ de gás oxigênio por litro, isto é, $0.750 \times 22.4 = 16.8\,\mathrm{L}$ : “16.8 volumes”.

18. $(1.79 - 1.50)/1.79 \approx 16\,\%$ .

19. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

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