Níquel de René

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Níquel de Raney 1. Resumen: A nivel superficial, el níquel de Raney se presenta como un polvo gris y fino. Pero, a escala microscópica, cada una de las partículas que componen este polvo tiene una estructura porosa tridimensional. Esta estructura porosa aumenta su superficie de contacto. Una superficie tan grande permite una alta actividad catalítica. Por eso, el níquel de Raney se utiliza ampliamente como catalizador heterogéneo en reacciones de hidratación en la síntesis orgánica y en la producción industrial. Dado que “Raney” es una marca registrada de la empresa Grace Chemicals, en términos estrictos, solo los productos fabricados por el departamento químico de esta empresa pueden ser denominados “níquel Raney”. Por su parte, los “catalizadores de estructura metálica” o “catalizadores esponja-metálico” se utilizan para referirse a aquellos catalizadores que poseen una estructura microporosa y cuyas propiedades físicas y químicas son similares a las del níquel de Raney. 2. Preparación: A nivel comercial, la aleación de aluminio y níquel necesaria para producir níquel reney se obtiene fundiendo en un horno metales con actividad catalítica (níquel, hierro o cobre) y aluminio. El metal fundido se enfría rápidamente y luego se tritura para convertirlo en partículas finas y uniformes. En el diseño de los componentes de la aleación, hay que tener en cuenta dos factores. En primer lugar, está la proporción de níquel y aluminio en la aleación. A medida que cambia esta proporción, durante el proceso de templado se forman diferentes fases de níquel/aluminio. Estas fases tienen propiedades de lixiviación distintas, lo cual puede hacer que el producto final tenga una estructura porosa muy diferente. Por lo general, se utiliza una cantidad igual de níquel y aluminio para su fusión. El segundo factor es la proporción de tercer metal que se añade. Durante el proceso de templado, a veces se añade una pequeña cantidad de un tercer metal, como el zinc o el cromo. Su adición cambia la composición de la aleación y su diagrama de fases, lo que conlleva diferentes propiedades de lixiviación y, por lo tanto, una mayor actividad catalítica; de ahí que se les denomine “promotores”. El diagrama de fases de níquel-aluminio muestra las fases NiAl3, Ni2Al3 y NiAl, que están estrechamente relacionadas con las reacciones de lixiviación. 3. Activación: La alta actividad catalítica del níquel de René se debe a las propiedades catalíticas del propio níquel y a su estructura porosa. Esta estructura porosa se obtiene al eliminar el aluminio de las aleaciones de níquel y aluminio mediante la utilización de una solución concentrada de hidróxido de sodio. Este proceso se denomina lixiviación. La reacción de lixiviación puede expresarse de la siguiente manera: 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2. Dado que la reacción de lixiviación aumenta la actividad del catalizador, y el hidrógeno generado se almacena en el catalizador, este proceso también se conoce como activación. La superficie superficial del producto terminado se mide generalmente mediante experimentos de adsorción con gases (como el hidrógeno). Los experimentos revelaron que había níquel en casi toda la superficie de contacto. El área de contacto promedio del níquel en el renio comercializado es de 100 /g. Hay tres factores principales que influyen en los resultados de la reacción de lixiviación: la composición de la aleación, la concentración de hidróxido de sodio utilizado y la temperatura de la reacción de lixiviación. Como se mencionó anteriormente, las aleaciones contienen diversas fases de níquel y aluminio. Durante el proceso de lixiviación, el aluminio presente en las fases NiAl3 y Ni2Al3 reacciona primero. En cambio, el aluminio contenido en la fase NiAl reacciona más lentamente; por lo tanto, es posible conservarlo ajustando el tiempo de lixiviación. Por eso se le denomina “lixiviación selectiva”. En el níquel de Raney activado típico, el níquel representa el 85 % en masa, lo que significa que 2/3 de sus átomos son níquel. El aluminio presente en la fase restante de NiAl puede ayudar a mantener esta estructura porosa, brindando al catalizador estabilidad estructural y térmica. La concentración de hidróxido de sodio utilizado en la reacción de lixiviación debe ser bastante alta; generalmente, se necesita un nivel de 5 moles por litro. De esta manera, el aluminio puede transformarse rápidamente en aluminato de sodio soluble en agua (Na), evitando así la formación de precipitados de alúmina. Una vez que se forma el precipitado de alúmina hidróxida, este bloquea los orificios ya existentes, impidiendo que el resto de la solución de hidróxido de sodio ingrese en la aleación. Esto hace que sea más difícil que el aluminio restante reaccione. Esto hace que la superficie de la estructura porosa del producto disminuya, lo que a su vez reduce su actividad catalítica. La estructura porosa que se forma gradualmente durante el proceso de lixiviación tiene una fuerte tendencia a reducir su superficie superficial; ocurre un reordenamiento estructural, las paredes de los poros se unen entre sí, lo que provoca la destrucción de la estructura porosa. El aumento de la temperatura hace que los átomos se muevan más rápido, lo que aumenta la tendencia a la reorganización de la estructura. Por lo tanto, tanto la superficie superficial del níquel de Raney como su actividad catalítica disminuyen a medida que aumenta la temperatura de la reacción de lixiviación. Por otro lado, si la temperatura de lixiviación es demasiado baja, la velocidad de la reacción será demasiado lenta. Por eso, la temperatura de lixiviación habitual está entre 70 y 100 grados Celsius.