Un mundo catalítico, Ziegler-Natta y su evolución

Hola queridos Steemers, vengo de nuevo con ustedes a seguir hablando sobre lo que será mi trabajo de investigación. En mi post anterior les estaba hablando un poco sobre las transformaciones del Etileno y por ultimo mencione un poco sobre los catalizadores Ziegler-Natta, definitivamente estos temas son muy extensos, pero maravillosos de relatar, y así es el conocimiento en cualquier ámbito que desarrollemos. Tratare en lo posible de publicar sobre ambas de mis próximas especialidades, ya que también el mundo de la ingeniería es muy grande e igualmente de enriquecedor.

Figura 1. Karl Ziegler y Giulio Natta, ganadores del Premio Novel en Química 1963

Definición de catalizadores

Una reacción química es un proceso de transformación donde una o más sustancias químicas sufren cambios para originar otras sustancias químicas. Todas estas transformaciones requieren energía, esto está gobernando por parámetro termodinámicos quienes nos indican cuan factible es que los reactivos se puedan convertir en productos. Podemos simplificar un poco las cosas, para un entendimiento practico, si la energía llamada ΔG° < 0 la reacción es prometedora, si el ΔG° está entre 0 y 40KJ/mol es una reacción dudosa, pero podría valer la pena buscar algún catalizador, pero si nos vamos con un ΔG° > 40KJ/mol no se podría justificar catalizar la reacción.

Función del catalizador

Ya tenemos un proceso que es factible termodinámicamente, ahora necesito un catalizador, pero primero conozcamos como trabajan. Los catalizadores buscan alternativas de energía más bajas para formar productos, la efectividad de un catalizador vienen dadas por la diferencia de energía de activación entre el proceso catalizado y el mismo proceso sin catalizar. Esto provoca cambios a la velocidad de reacción y la disminuye al disminuir la energía de activación, podemos ver ilustrado esta parte en la siguiente imagen.

Figura 2. Energía de activación de reacción, con y sin catalizadores.

Catálisis Homogénea y Heterogénea

Estos procesos catalíticos podemos clasificarlos en dos grandes grupos, homogéneos y heterogéneos. En la catálisis heterogénea tenemos el catalizador, que pueden ser metales y óxidos metálicos soportados sobre un material inerte como alúmina o sílica, en estado sólido mientras que los reactantes y productos están en fase liquida y gaseosa. A diferencia en la catálisis homogénea tanto los reactantes, los productos y el catalizador, se encuentran en la misma fase, normalmente en solución. Veamos la siguiente tabla de referencia:

Tabla1. Catálisis Homegénea y Heterogénea.

Ya conocemos lo básico, adentrémonos un poco en lo que es la catálisis heterogénea y los catalizadores tipo Ziegler-Natta.

Catalizadores Ziegler-Natta

Los primeros estudios en esta área, como su nombre nos da indicios, se refieren a los estudios realizador para 1955 por Ziegler, quien encontró que la reacción de polimerización de etileno podía ser catalizada a través de un sistema del tipo TiCl₄-AlClEt₂, al mismo tiempo Natta mostró que con este tipo de sistema catalítico era posible sintetizar polipropileno de diferentes tacticidades.

Figura 3. Mecanismo para Catalizadores del tipo Ziegler-Natta.

Generaciones Ziegler-Natta

La primera generación se basó en catalizadores a base de TiCl₃-AlClEt₂Cl, los cuales se caracterizaron por su baja actividad y porque estos permanecían como sub-productos contaminantes en el polímero obtenido. Una segunda generación de catalizadores fueron obtenidos mediante la adición de una base de Lewis a los catalizadores compuestos de TiCl₃-AlClEt₂Cl. Así la adición de donadores del tipo éster, éter, aminas, cetonas, etc aportaría una mayor actividad y estereoespecificidad a los catalizadores. Las ventajas de los sistemas de segunda generación fueron una mayor actividad, de 5 a 8 veces mayor selectividad con fracciones isotáticas alrededor de 95%, lo que eliminó la etapa de remoción de la fracción atáctica.


Una tercera generación aportaría soportes basado en compuesto de magnesio, tales como Mg(OH)Cl, Mg(OH) ₂, MgSO₄, Mg(OR) ₂ y MgCl₂, siendo este último el más utilizado. Estos sistemas catalíticos eran generadores de actividad que superaban hasta cincuenta veces las obtenidas con los catalizadores anteriores. Y por último, la cuarta generación de catalizadores designados de súper alta actividad por generar entre 500 y 100 kilogramos de polímero por gramo de titanio, además de promover una alta selectividad hacia el polipropileno isotáctico de 95-98%. Con este sistema se logró controlar el tamaño y distribución de partículas del polímero, además las poliolefinas resultantes no necesitaban ser lavadas ni fraccionadas generando disminución en los costes de producción. En estas imágenes podemos observar una Micrografía de un catalizador Ziegler-Natta y homólogamente su polímero resultante, ambas resultantes del laboratorio donde actualmente trabajo para mi proyecto de investigación.

Figura 4. Micrografía electrónica del Catalizador tipo Ziegler-Natta.

Figura 5. Micrografía óptica de los polímeros obtenidos.

Como pueden ver, es un tema bastante extenso y del que podemos escribir o leer sencillamente, poco a poco los iré ilustrando de todas estas cosas, y de mi trabajo en el laboratorio. Espero que les guste, nos leemos en otra oportunidad.

Bibliografía

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