Descreva dois exemplos de metais de transição atuando como catalisadores industriais. Justifique a escolha dos metais com base em suas propriedades eletrônicas.

Passo 1

O enunciado pede para descrever dois exemplos de metais de transição usados como catalisadores em processos industriais e justificar a escolha de cada metal com base em suas propriedades eletrônicas. O conteúdo envolve catálise heterogênea, interação molécula-superfície metálica e a importância dos orbitais d e dos estados de oxidação variáveis desses metais.

Passo 2

Como primeiro exemplo, consideremos o ferro no processo Haber–Bosch de síntese de amônia, cuja reação global é
N_2 + 3\,H_2 \longrightarrow 2\,NH_3.
O ferro surge como catalisador em leitos fixos, muitas vezes promovido com óxidos de potássio e alumínio. A justificativa eletrônica é:
  1. O ferro metálico possui configuração eletrônica \mathrm{[Ar]}3d^6\,4s^2, com orbitais d parcialmente ocupados que permitem tanto a doação de elétrons para o antibonding do N_2 (afinando a ligação tripla) quanto o back-donation, enfraquecendo a molécula de N_2.
  2. A superfície de Fe pode exibir vários estados de oxidação (0, +2, +3) em sítios distintos, facilitando etapas de adsorção e dissociação sequencial de N_2 e H_2.
  3. A densidade de estados eletrônicos próximos ao nível de Fermi no Fe favorece a interação forte o suficiente para ativar as moléculas, mas sem “prender” demais os intermediários.

Passo 3

Como segundo exemplo, tomemos o níquel de Raney na hidrogenação de óleos vegetais insaturados, processo em que duplas ligações C=C são saturadas:
\text{ácido oleico (C=C)} + H_2 \longrightarrow \text{ácido esteárico (C–C)}.ááá
O níquel de Raney é uma esponja metálica com alta área superficial. A justificativa eletrônica é:
  1. O Ni metálico tem configuração \mathrm{[Ar]}3d^8\,4s^2, apresentando orbitais d com energia adequada para dissociar H_2 em átomos e adsorver alcenos.
  2. A tolerância a variações de carga superficial ( Ni^0/ Ni^2+) permite formar dessaques de hidreto e transferência eletrônica ao substrato insaturado.
  3. A densidade de estados d perto do nível de Fermi assegura ativação eficiente de H_2 sem gerar ligações tão fortes que inviabilizem a liberação do produto saturado.

Resposta

  1. Ferro em leito fixo no processo Haber–Bosch de síntese de amônia, escolhido por ter orbitais d parcialmente ocupados e múltiplos estados de oxidação que permitem ativar e dissociar N_2 e H_2.
  2. Níquel de Raney na hidrogenação de óleos vegetais, escolhido por sua configuração 3d^8\,4s^2 que promove dissociação de H_2, adsorção de duplas ligações e facilitação da transferência eletrônica ao substrato.

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