Empecemos por copiar la definición que nos da Wikipedia sobre catalizador:
Un catalizador es una sustancia (compuesto o elemento) capaz de acelerar (catalizador positivo) o retardar (catalizador negativo o inhibidor) una reacción química, permaneciendo éste mismo inalterado (no se consume durante la reacción). A este proceso se le llama catálisis.
Esta nota se orienta a los catalizadores, también conocidos como “convertidor catalítico”, que se ubican en los automotores impulsados por combustibles fósiles en su sistema de escape con el fin de reducir o eliminar algunos compuestos nocivos para el medio ambiente, transformándolos en otros inofensivos o al menos, no tan nocivos.
Introducción al funcionamiento del motor de un auto
La combustión en un motor de ciclo OTTO procede de la reacción química del combustible (gasolina) formado por hidrógeno y carbono; y el comburente es el oxigeno del aire (formado en su mayor parte por oxígeno y nitrógeno)
Se introduce en los cilindros la mezcla de aire y combustible finamente pulverizado en una proporción de 14,7:1 y se comprime a gran presión, en ese momento se hace saltar una chispa que eleva la temperatura y el combustible se quema en presencia del oxígeno del aire, es decir, se oxida rápidamente combinándose el carbono del combustible con el oxígeno del aire.
La energía química del combustible se libera en forma de calor cuando se quema, transformándose en el motor en energía mecánica.
Se produce la transformación de la mezcla en vapor de agua H2O (con el oxígeno del aire y el hidrógeno del combustible), y dióxido de carbono CO2 (por la reacción del oxígeno del aire y el carbono del combustible) El nitrógeno del aire no interviene y queda como N2.
La combustión en el motor de ciclo OTTO, aunque teóricamente no produciría productos nocivos, la combustión incompleta que se produce en la realidad si los crea.
El resultado de la combustión es:
Si miramos la tabla rápidamente y sin prestar mucha atención nos podemos tentar a decir “El 1% es poco, no pasa nada”, imaginemos que la totalidad de los gases fueran nocivos, ese pareciera ser un problema enorme, imaginemos ahora 100 autos que pasan delante nuestro, emitieron la misma cantidad de contaminantes que uno con 100% de contaminantes, si estamos cerca de una autopista o avenida veremos pasar esos 100 autos en pocos segundos, como podemos ver si extrapolamos la contaminación a todos los autos del planeta…… tenemos un gran problema.
Mezclas
La mezcla entre aire y combustible para una combustión ideal es de 14,7:1, pero por distintas razones no siempre se puede utilizar esa relación, a la mezcla que contiene un mayor porcentaje de combustible se le llama mezcla rica y a la que tiene menos se la llama mezcla pobre, veremos sus ventajas y desventajas mas adelante.
En los autos de inyección electrónica se puede ajustar en tiempo real la mezcla, analizando el contenido de oxigeno mediante la sonda lambda, a esto se le conoce como sistema de bucle cerrado.
¿Qué es lambda?
Expresado en masa:
La mezcla ideal nos daría un lambda=1.
Con un lambda<1 tenemos mezcla rica.
Con un lambda>1 tenemos mezcla pobre.
Esta medición se realiza cada 0.02 segundos, y con esa misma velocidad se realizan los ajustes en el sistema de inyección.
Se compone de un dispositivo con dos sensores, uno en contacto con los gases de escape y el otro con el aire exterior, cuando la cantidad de oxígeno no es la misma, por intermedio de dos electrodos se produce una diferencia de potencial que es advertida por la computadora que lo usa como factor de corrección del tiempo de inyección. De modo que mantiene constante la relación aire/nafta como lo requiere el catalizador.
La sonda para un correcto funcionamiento necesita estar a más de 300ºC, lo cual con el motor frió no se logra, tenemos estas alternativas:
Sonda común de un cable, esta no trabaja hasta alcanzar la temperatura optima, luego emite la señal por ese cable.
Sonda de tres cables, estas cuentan con una resistencia aparte para calentarla y que trabajen en todo momento, los dos cables extras son los que alimentan la resistencia que calienta la sonda.
Los gases que contaminan en mayor medida son:
Monóxido de carbono: Desde ahora, CO.
Hidrocarburos: Desde ahora HC.
Óxidos de nitrógeno: Desde ahora, NOx.
Primero veremos como se originan cada uno de estos gases.
CO: Este compuesto se origina a causa de una combustión incompleta (si fuera completa generaría CO2), es sumamente toxico para el ser humano ya que se combina con la hemoglobina de una manera mas fuerte que el oxigeno, formando carboxihemoglobina. Cuando esto sucede esa molécula es incapaz de llevar oxigeno a nuestro cuerpo con lo cual se produce la muerte. Una concentración mayor al 0.3 % en volumen es mortal en solo 30 minutos. Es un gas venenoso. Se originan más cuando la mezcla es rica y menos en las pobres.
HC: No todos los hidrocarburos presentes en la gasolina se consumen, no existe nada perfecto y la combustión no es distinta. Algunos de estos HC se liberan al medio ambiente, por ejemplo benceno, el cual es venenoso y causa irritación de ojos, piel y conductos respiratorios. También es cancerigeno.
Si la mezcla es rica falta oxigeno y algunos no se queman.
Si la mezcla es pobre la velocidad de inflamación es lenta y no todos se consumen antes de ser retirados por el escape.
NOx: Entre todos los óxidos de nitrógeno que existen los que se encuentran en mayor concentración son NO y NO2, nos referimos a ellos en conjunto como NOx. Si recordamos la concentración de gases en el aire tenemos 78% de nitrógeno, 21% de oxigeno y un 1% del resto de los gases. Nosotros para la combustión utilizamos el oxigeno del aire, como consecuencia también utilizamos nitrógeno, al cual si lo sometemos a una fuerte presión y alta temperatura en presencia de oxigeno (como por ejemplo dentro de un motor a explosión) obtendremos los perjudiciales óxidos de nitrógeno.
Si la mezcla es pobre tenemos algo de oxigeno sin reaccionar, reacciona con el nitrógeno generando los óxidos.
Otros contaminantes:
Plomo:
El tetraetileno de plomo se usaba en las naftas como antidetonante, el cual luego se liberaba al medio ambiente contaminándolo aun más. Es venenoso para el cuerpo humano ya que ataca al sistema nervioso.
Por suerte se ha dejado de utilizar y se han encontrado otros menos agresivos.
Dióxido de azufre:
Se origina por las impurezas azufradas en los combustibles que se oxidan a SO2 el cual es responsable también de la lluvia ácida, aunque solo un 2% de las emisiones de SO2 son por las emisiones de automotores no podemos dejar de mencionarlas.
Dióxido de carbono:
Si bien es el generado durante la combustión perfecta no es inofensivo completamente, es el principal responsable del efecto invernadero, pero la única forma de no generarlo es utilizando otro tipo de combustibles. Digamos que es el menor de los males.
Partículas sólidas:
Son los restos de una combustión incompleta, sobre todo en los motores diesel y son partículas de cenizas y hollín.
El catalizador
Como hemos visto aun la mezcla y combustión perfecta genera contaminación, pero una combustión incompleta genera elementos mucho mas contaminantes y tóxicos, por lo cual se introduce un elemento en el sistema de escape que mejora la calidad de las emisiones, el catalizador, este elemento compuesto por una carcaza de acero inoxidable dentro de la cual se encuentran unas celdillas cerámicas para aumentar la superficie de contacto, y se depositan sobre ella paladio y platino para catalizar las oxidaciones y rodio para las reducciones.
El catalizador no se consume durante la reacción, participa de ella acelerándola y queda nuevamente listo para reutilizarse, pero si se puede ir contaminando y perdiendo rendimiento, por ejemplo si alguna vez por error el auto fuera cargado con nafta con plomo, a las pocas cuadras el catalizador quedaría completamente inutilizado.
Como el catalizador actúa por contacto es necesario aumentar la superficie de contacto entre los gases que salen del motor y los metales del mismo, estos se sitúan en sustratos de conductos cerámicos de pequeño diámetro, para asegurarse que tengan el tiempo suficiente para reaccionar, lo cual no sucedió en el interior del motor. Por cada centímetro cuadrado tenemos unas 70 celdillas con la forma de un panal.
Acá ampliaciones sucesivas:
Las principales reacciones que se quieren lograr son:
Oxidación del CO a CO2, se logra un 90% de efectividad.
Combustión de los HC a CO2 y H2O, 90% efectividad.
Reducción de los NOx a N2, con un 75% de efectividad.
Comparación de los gases antes y después del catalizador a diferentes valores de lambda, presten principal atención en el grafico de la derecha (despues del catalizador) a lambda = 1 se obtiene maxima eficiencia.
Existen catalizadores de dos y tres vías, la cantidad de vías hace referencia a la cantidad de compuestos que pueden modificar, los de dos vías solo oxidan, por lo tanto actúan sobre el CO y los HC. Los de tres vías también pueden reducir compuestos (estos tienen rodio) y actúan además sobre los óxidos de nitrógeno.
El volumen de un catalizador suele ser el mismo que el de la cilindrada del vehículo.
El tiempo de contacto de los gases varia entre 100 y 400 ms.
Su temperatura de trabajo optima ronda los 800ºC, para evitar su enfriamiento esta recubierto de una capa aislante, construidos con acero inoxidable y cerca del colector de escape para utilizar el calor de los gases como calefacción.
Otros datos
Al frenar un poco los gases de escape el catalizador le resta potencia al vehículo, además aumenta el consumo un 5%, pero aun consumiendo más, contamina menos.
Su vida util si bien es mas larga, rara vez supera los 100.000 km, debido a factores ajenos al conductor como: la calidad de las naftas (o adulteración de las mismas), error de algun sensor, falla mal reparada, etc. o por errores o decisiones del mismo conductor: modificación del auto para incrementar potencia, lubricantes o aditivos inadecuados, arrancar el auto empujando, forzar el motor en bajas revoluciones, etc.
Dijimos que trabaja a unos 800ºC, han ocurrido accidentes con autos que luego de circular unas horas estacionaron al costado de la ruta, si los pastos están secos se prenderán fuego, y quizás luego el vehículo.
Si el combustible presenta altos niveles de azufre, no solo anula temporalmente el catalizador, sino que al calentarse mucho generará ácido sulfúrico y sulfhídrico a la salida del escape.
El consumo de metales preciosos para catalizadores es el principal a nivel mundial, 35% del platino, 65% del paladio y 95% del rodio.
Para entender porque es tan caro reemplazar un catalizador, compararemos el precio de algunos metales:
Precio de metales por onza
1 onza = 28,35 gramos
Oro U$S 1000
Platino U$S 2300
Rodio U$S 10000
Este es el resumen final del trabajo de un catalizador:
Vamos a ver que opinan los espertos 
Impresionante la nota ("sin entender de química una pepa"), en el otro auto (Renault) me cambiaron el catalizador ..., gracias Mola.
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