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I catalizzatori sono sostanze che aumentano la velocità di una reazione chimica abbassando l'energia di attivazione, senza essere consumate nel processo. Agiscono fornendo un percorso reattivo alternativo e si ritrovano invariati al termine della reazione. Sono fondamentali nell'industria chimica, nei processi biologici sotto forma di enzimi e in applicazioni quotidiane come i convertitori catalitici delle automobili. La loro selettività permette di orientare le reazioni verso prodotti desiderati, riducendo sprechi e consumi energetici.

Come funziona un catalizzatore
Un catalizzatore agisce offrendo alle molecole un percorso reattivo alternativo con energia di attivazione più bassa. In questo modo una frazione maggiore di collisioni tra reagenti risulta efficace e la reazione procede più rapidamente. È importante sottolineare che il catalizzatore non altera la termodinamica della reazione: l'entalpia di reazione e la costante di equilibrio restano invariate, e viene solo raggiunto l'equilibrio più in fretta. Il catalizzatore partecipa temporaneamente al meccanismo, formando intermedi reattivi, ma viene rigenerato e può essere riutilizzato più volte.

Omogenei ed eterogenei
La distinzione principale riguarda lo stato fisico. Nei catalizzatori omogenei catalizzatore e reagenti si trovano nella stessa fase, come nel caso degli acidi in soluzione: il contatto molecolare è ottimo e la selettività elevata, ma separare il catalizzatore dal prodotto richiede operazioni aggiuntive. Nei catalizzatori eterogenei, tipicamente solidi a contatto con reagenti gassosi o liquidi, la reazione avviene sulla superficie: i reagenti si adsorbono sui siti attivi, reagiscono e i prodotti si desorbono. Questa categoria domina l'industria perché il catalizzatore solido si separa facilmente e può essere installato in reattori continui.

Gli enzimi come catalizzatori naturali
Gli enzimi sono catalizzatori biologici, per lo più proteine, che accelerano le reazioni metaboliche di molti ordini di grandezza. Il substrato si lega al sito attivo, una regione con geometria e gruppi chimici specifici, formando un complesso enzima-substrato che favorisce la trasformazione. La specificità è molto elevata: ogni enzima agisce tipicamente su un substrato o una classe di reazioni. L'attività dipende da temperatura e pH, poiché condizioni estreme denaturano la proteina alterando il sito attivo. Alcuni enzimi richiedono cofattori, come ioni metallici o molecole organiche dette coenzimi, per funzionare correttamente.

Limiti e deattivazione
I catalizzatori non sono eterni e la loro efficienza può diminuire nel tempo. L'avvelenamento avviene quando sostanze estranee si legano in modo stabile ai siti attivi: un caso storico è il piombo presente nelle benzine, che disattivava i catalizzatori dei convertitori automobilistici, motivo per cui è stato eliminato. Anche il deposito di coke carbonioso sulle superfici e la sinterizzazione, cioè l'aggregazione delle particelle con riduzione della superficie esposta, riducono l'attività. Per questo motivo i processi industriali prevedono rigenerazione periodica e purificazione dei reagenti per prolungare la vita del catalizzatore.