El Nobel de Química del 2007 va premiar el treball de Gerdhard Ertl sobre química de superfícies. S'exposen alguns dels seus resultats i com van ser possibles, així com la seva aplicació en catàlisis heterogènies de processos importants

Muntean, Gabriel-Miro

Trestian, Ramona

Zou, Longhao

Longhao Zou

Ramona Trestian

Gabriel-Miro Muntean

Crossref

eDOAS: Energy-aware device-oriented adaptive multimedia scheme for Wi-Fi offload

Casabó i Gispert, Jaume

Aliberas Maymí, Joan

Diposit Digital de Documents de la UAB

 Ciències 10 (2008) Aprofundim en la ciència 42   Una excursió per muntanyes i valls: Gerdhard Ertl i la química de superfícies  Jaume Casabó, Departament de Química, Àrea de Química Inorgànica, Facultat de Ciències, UAB Joan Aliberas, IES Josep Puig i Cadafalch, Mataró, jalibera@xtec.cat   El Nobel de Química del 2007 va premiar el treball de Gerdhard Ertl sobre química de su-perfícies. S’exposen alguns dels seus resultats i com van ser possibles, així com la seva aplicació en catàlisis heterogènies de processos importants. Paraules clau: química de superfícies, catalitzador, catàlisi heterogènia, adsorció, migració    La química de superfícies no és un camp que hagi proporcionat gaire premis Nobel. La llista aca-ba aviat:  • El 1912 es premià el treball del francès Sabatier sobre mètodes per hidrogenar compostos orgà-nics mitjançant metalls finament dividits. • L’alemany Fritz Haber el rebé el 1918 per la sín-tesi de l’amoníac a partir dels seus elements, el conegut mètode d’Haber-Bosch, que utilitza el ferro per a la seva catàlisi. Va ser una tècnica decisiva, ja que des del 1913 permet que l’agri-cultura disposi d’abundants fertilitzants agrícoles nitrogenats a partir del nitrogen de l’aire. Cal dir que també fou una base per a la fabricació d’explosius. • Cal esperar fins al 1932 perquè arribi el premi concedit al nord-americà Irving Langmuir per les seves aportacions a la química de superfícies. • Però després de llargues dècades sense cap premi Nobel en aquest camp, el 2007 es conce-deix a l’alemany Erdhard Ertl (fig. 1).   Una superfície, un lloc actiu En una estructura cristal·lina com la del clorur de sodi (fig. 2) és fàcil comprovar que a l’interior del cristall (fig. 3) cada ió està envoltat per sis ions de  signe contrari, fent que les forces d’atracció es compensin, donant estabilitat a tota la xarxa. Però a la superfície és diferent. Els ions que hi ha són atrets pels ions que hi ha als costats i pels de l’interior, però no des de fora. Això provoca que les superfícies dels cristalls siguin particularment reactives. Linus Pauling deia que sense elles els sòlids no serien capaços de reaccionar.     Figura 1. Erdhart Ertl, premi Nobel de Química del 2007 pels seus treballs sobre processos químics en superfícies sòlides (font).   Figura 2. Cristall d’halita (clorur de sodi).  Ciències 10 (2008) Aprofundim en la ciència 43   Figura 3. Reticle cristal·lí del clorur de sodi. A més, els ions superficials es reorganitzen, com es pot veure a la imatge (fig. 4):   Figura 4. Imatge en fals color de la superfície d’un cristall d’una sal, realitzada amb microscopi de for-ça atòmica. Els àtoms superficials tendeixen a for-mar agrupacions no regulars. El treball d’Ertl La concessió d’un Nobel a la química de super-fícies després de tants anys de sequera té la seva explicació. Han estat necessaris molts avenços en instrumentació i en mètodes de recerca per poder aconseguir de progressar en aquest camp del co-neixement.  El gran problema és evitar interaccions indesit-jades sobre la superfície –una superfície tan activa que qualsevol gas s’hi adhereix–; és per això que era necessari obtenir un nivell de buit suficient, un buit ultra alt (entre 100 nPa i 100 pPa). Fins que no hi hagué tècniques adequades per poder fer i man-tenir un buit tan alt, aquest estudi no va ser possi-ble. Durant les dècades recents s’han anat creant instruments que fan possible l’estudi de la dinàmica dels processos que es desenvolupen en les super-fícies. Un d’aquests instruments és el microscopi electrònic de fotoemissió (fig. 5).    Figura 5. Microscopi electrònic de fotoemissió. Es tracta d’un microscopi electrònic modificat, que permet observar en directe el que succeeix a la superfície de la mostra. Per aconseguir-ho s’il·lumi-na la mostra amb llum ultraviolada, provocant l’e-missió d’electrons, que mitjançant el microscopi electrònic acaben donant una imatge en moviment (fig. 6) del que està passant a la superfície estudia-da.   Figura 6. Fotograma d’una pel·lícula que mostra la migració d’àtoms, que apareixen de color blanc, damunt d’una superfície. (En moviment: font) La contribució d’Ertl a la química de superfícies consisteix en una llarga sèrie d’estudis de proces-sos químics en superfícies, realitzats tant des del camp experimental com del teòric, de forma com-plementària. Treballar en una institució alemanya tan potent com l’Institut Max Planck, li ha permès  Ciències 10 (2008) Aprofundim en la ciència 44 disposar d’uns recursos experimentals que no són a l’abast de qualsevol.  A més del microscopi òptic de fotoemissió que ja hem comentat, també ha utilitzat tècniques mo-dernes com l’espectroscòpia electrònica de trans-formada de Fourier, l’espectroscòpia d’alta resolu-ció de pèrdua d’energia electrònica, la difracció d’electrons de baixa energia, l’espectroscòpia de masses d’ió secundari, l’espectroscòpia electrònica ultraviolada o, com ja hem dit, els sistemes de buit ultra alt. Amb ells Ertl ha pogut estudiar sistemàticament els processos involucrats en determinades reacci-ons, com la reacció de deshidrogenació de l’etilè per produir acetilè (fig. 7), o el detall del procés de Haber-Bosch per a l’obtenció d’amoníac (fig. 8), un procés conegut des de 1913, però que no havia es-tat explicat.   Figura 7. Reacció de deshidrogenació de l’etilè per produir acetilè, catalitzat per una superfície de ní-quel. L’hidrogen queda adherit a la superfície, mo-tiu pel qual cal regenerar el catalitzador cada cert temps. (En moviment: font). Mentre que la reacció entre l’hidrogen i el nitro-gen gasosos implica una energia d’activació molt gran, el mateix procés, catalitzat per una superfície de ferro, és molt més assequible, tant pel que fa al condicionant energètic com a l’entròpic. Ertl va po-der descriure’n el mecanisme i l’energia que reque-ria cadascun dels passos, basant-se en els parà-metres de la superfície (fig. 9), aclarint així diversos mecanismes (fig. 10).     Figura 8. El procés de Haber-Bosch (ruta inferior), entre espècies adherides a la superfície, pràctica-ment no necessita energia d’activació, mentre que la reacció sense catalitzador (ruta superior) reque-reix una energia enorme (font).    Figura 9. El diagrama de dalt mostra la ubicació dels àtoms de nitrogen (negres) sobre la superfície d’àtoms de ferro (blancs). A sota, la mateixa situa-ció vista de costat, indicant alguns dels seus parà-metres: els cercles més grans són àtoms de ferro i els petits, de nitrogen (font).   Ciències 10 (2008) Aprofundim en la ciència 45   Figura 10. Diagrama mostrant alguns dels proces-sos implicats en la reacció entre dos gasos sobre una superfície, incloent l’adsorció, dissociació, mi-gració, reacció i alliberament de la superfície (font).  Per altra banda, el tractament de les seves imatges ha donat lloc a resultats ben atractius (fig. 11).     Figura 11. Imatges en fals color de processos os-cil·lants sobre una superfície (font). Una estirada d’orelles Håkan Wennerström, un dels membres del co-mitè Nobel de química que va decidir el premi, afirmava:  “Les investigacions s’han realitzat amb una gran elegància en el seu aspecte experimental. El treball es caracteritza per l’ambició d’utilitzar sempre el mètode més escaient per resoldre el problema en-tre mans. Ertl no es conforma mai amb una obser-vació interessant però aïllada.”   No és difícil veure en aquestes darreres parau-les un advertiment metodològic contra les presses per publicar resultats poc comprovats.  Immediatament vénen a la memòria casos com els de la fusió freda (en un procés a temperatura ambient els semblava detectar emissió de neu-trons, cosa que indicaria que s’estava produint la fusió nuclear!) o el d’una pretesa separació d’isò-mers per mètodes magnètics (que hauria estat una gran notícia per a la indústria farmacèutica).  Efectivament, el treball d’Ertl va ser molt paci-ent. Tot i els recursos de què disposava, li va cal-dre molt de treball per arribar a obtenir resultats clars i reproduïbles.   La catàlisi heterogènia,  present en fenòmens d’importància El tractor de la figura 12 exemplifica algunes de les utilitzacions que actualment té la catàlisi hete-rogènia (aquella en la qual el catalitzador és en una fase diferent que els reactius, com és el cas de re-accions gasoses catalitzades per una superfície sò-lida):   Figura 12. Processos de catàlisi heterogènia rela-cionats amb el treball agrícola. D’esquerra a dreta: a) tub d’escapament; b) reducció de la capa d’ozó; c) rovellament de la xapa; d) semiconductors dels circuits electrònics; e) fertilitzants artificials (font) .  Ciències 10 (2008) Aprofundim en la ciència 46 a) En un tub d’escapament s’utilitza platí per cata-litzar l’oxidació del CO en CO2 (fig. 13).    Figura 13. Reacció que transcorre a la superfície del catalitzador d’un tub d’escapament: el CO reac-ciona amb oxigen per produir CO2 (font). b) Un escapament de freó de l’aire condicionat acabarà reduint l’ozó estratosfèric al reaccionar amb ell sobre la superfície de cristalls de gel de l’estratosfera. c) El rovellament es produeix quan una superfície de ferro queda exposada a l’oxigen de l’aire. d) La indústria electrònica utilitza reaccions sobre superfícies per fabricar components semicon-ductors. e) Els fertilitzants artificials es produeixen amb amoni fabricat a partir d’hidrogen i nitrogen so-bre una superfície de ferro.  Fins i tot es poden produir combustibles reno-vables per processos basats en la catàlisi sobre superfícies. Gràcies al treball d’Ertl i del seu equip, tots aquests fenòmens superficials ens resulten ara for-ça més comprensibles.   

Una excursió per muntanyes i valls : Gerdhard Ertl i la química de superfícies

http://ddd.uab.cat/pub/ciencies/16996712n10/16996712n10p42.pdf

Una excursió per muntanyes i valls : Gerdhard Ertl i la química de superfícies

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Crossref

Diposit Digital de Documents de la UAB