catalizador

Un catalizador es una sustancia química, simple o compuesta, que modifica la velocidad de una reacción química, interviniendo en ella pero sin llegar a formar parte de los productos resultantes de la misma. Los catalizadores se caracterizan con arreglo a las dos variables principales que los definen: la fase activa y la selectividad. La actividad y la selectividad, e incluso la vida misma del catalizador, depende directamente de la fase activa utilizada, por lo que se distinguen dos grandes subgrupos: los elementos y compuestos con propiedades de conductores electrónicos y los compuestos que carecen de electrones libres y son, por lo tanto, aislantes o dieléctricos. La mayoría de los catalizadores sólidos son los metales o los óxidos, sulfuros y haloideos de elementos metálicos y de semimetálicos como los elementos boro aluminio, y

silicio. Los catalizadores gaseosos y líquidos se usan usualmente en su forma

pura o en la combinación con solventes o transportadores apropiados; los

catalizadores sólidos se dispersan usualmente en otras sustancias conocidas

como apoyos de catalizador Un catalizador en disolución con los reactivos, o en la misma fase que ellos, se llaman catalizador homogéneo. El catalizador se combina con uno de los reactivos formando un compuesto intermedio que reacciona con el otro más fácilmente. Sin embargo, el catalizador no influye en el equilibrio de la reacción, porque la descomposición de los productos en los reactivos es acelerada en un grado similar. Un ejemplo de catálisis homogénea es la formación de trióxido de azufre haciendo reaccionar dióxido de azufre con oxígeno, y utilizando óxido nítrico como catalizador. La reacción forma momentáneamente el compuesto intermedio dióxido de nitrógeno, que luego reacciona con el oxígeno formando óxido de azufre. Tanto al principio como al final de la reacción existe la misma cantidad de óxido nítrico.

Un catalizador que está en una fase distinta de los reactivos se denomina catalizador heterogéneo o de contacto. Los catalizadores de contacto son materiales capaces de adsorber moléculas de gases o líquidos en sus superficies Un ejemplo de catalizador heterogéneo es el platino finamente dividido que cataliza la reacción de monóxido de carbono con oxígeno para formar dióxido de carbono. Esta reacción se utiliza en catalizadores acoplados a los automóviles para eliminar el monóxido de carbono de los gases de escape.

Existen ciertas sustancias llamadas promotoras, que no tienen capacidad catalítica en sí, pero aumentan la eficacia de los catalizadores. Por ejemplo, al añadir alúmina a hierro finamente dividido, ésta aumenta la capacidad del hierro para catalizar la obtención de amoníaco a partir de una mezcla de nitrógeno e hidrógeno. Por otra parte, los materiales que reducen la eficacia de un catalizador se denominan venenos. Los compuestos de plomo reducen la capacidad del platino para actuar como catalizador; por tanto, un automóvil equipado con un catalizador para controlar la emisión de gases necesita gasolina sin plomo.

Los catalizadores metálicos más usuales son capaces de producir reacciones reversibles de quimiadsorción, como en el caso del níquel, paladio, platino y plata. Entre los catalizadores a base de óxidos metálicos se distingue entre los óxidos estequiométricos y los óxidos que ganan o pierden oxígeno de su superficie. Las sales metálicas más destacadas por su carácter catalizador son los sulfuros, que se emplean en procesos de eliminación de azufre, y los cloruros, que son catalizadores de los procesos de oxicloración. Los catalizadores llamados «bifuncionales» son los que tanto en el soporte como en la fase soportada actúan de catalizadores en diferentes pasos elementales de la reacción química, siguiendo esquemas catalíticos diferentes. Se emplean fundamentalmente en la reformación de la gasolina.

Uso Biológico

Las enzimas, que se encuentran entre los catalizadores más importantes, tienen una función esencial en los organismos vivos donde aceleran reacciones que de otra forma requerirían temperaturas que podrían destruir la mayoría de la materia orgánica. . El éxito de una síntesis de una enzima puede ser inequívocamente verificado por la prueba de su actividad enzimática. Las enzimas son sumamente reactivas. Una segunda característica de enzimas es su extrema especificidad. Se ha sugerido que cada proceso bioquímico tiene su enzima específica propia. Los procesos bioquímicos inducidos por enzimas caen en clasificaciones anchas, tal como hidrólisis, la descomposición, síntesis, hydrogenacion-deshidrogenacion; como con catalizadores en general, las enzimas son activadas para reacciones directas e inversas. Las enzimas frecuentemente tienen coenzimas, Adenosina trifosfato , ATP, es una importante coenzima que participa en la energía y los procesos productores a través de membranas de la célula. Como con los catalizadores hay muchas sustancias que inhiben, o veneno, enzimas. El ion de cianuro es un inhibidor potente en muchos procesos enzimáticos Las enzimas naturales se han utilizado durante mucho tiempo en las industrias, pero en la actualidad sólo se dispone de menos de 20 enzimas en cantidades industriales. Los biotecnólogos buscan formas de ampliar estos recursos y de desarrollar enzimas semisintéticas para tareas muy específicas.

Algunas enzimas, como la pepsina y la tripsina, que intervienen en la digestión de las proteínas de la carne, controlan muchas reacciones diferentes, mientras que otras como la ureasa, son muy específicas y sólo pueden acelerar una reacción. Otras liberan energía para la contracción cardiaca y la expansión y contracción de los pulmones. Muchas facilitan la conversión de azúcar y alimentos en distintas sustancias que el organismo precisa para la construcción de tejidos, la reposición de células sanguíneas y la liberación de energía química para mover los músculos.

Además, la pepsina, la tripsina y otras enzimas poseen la propiedad peculiar denominada autocatálisis que les permite originar su propia formación a partir de un precursor inerte denominado zimógeno. Como consecuencia, estas enzimas se pueden reproducir en un tubo de ensayo.

Las enzimas son muy eficaces. Cantidades pequeñas de una enzima pueden realizar a bajas temperaturas lo que podría requerir reactivos violentos y altas temperaturas con métodos químicos ordinarios. Por ejemplo, unos 30 g de pepsina cristalina pura son capaces de digerir casi dos toneladas métricas de clara de huevo en pocas horas.

La cinética de las reacciones enzimáticas difiere de las reacciones inorgánicas simples. Cada enzima es específica de forma selectiva para la sustancia sobre la que causa la reacción, y es más eficaz a una temperatura determinada. Aunque un aumento de la temperatura puede acelerar una reacción, las enzimas son inestables cuando se calientan. La actividad catalítica de una enzima está determinada sobre todo por su secuencia de aminoácidos y por la estructura terciaria, es decir, la estructura de plegamiento tridimensional de la macromolécula, a la vez, aparece para depender únicamente de la sucesión lineal de aminoácidos. Muchas enzimas precisan para su función la presencia de un ion o una molécula que recibe el nombre de cofactor.

Las vitaminas por lo general actúan como catalizadores, combinándose con las proteínas para crear metabólicamente enzimas activas que a su vez producen importantes reacciones químicas en todo el cuerpo. Sin las vitaminas muchas de estas reacciones tardarían más en producirse o cesarían por completo. Sin embargo, aún falta mucho para tener una idea clara de las intrincadas formas en que las vitaminas actúan en el cuerpo. Las coenzimas frecuentemente contienen vitaminas como partes de su estructura. Los iones de magnesio y calcio son activadores importantes de enzimas.

Uso Industrial

Los catalizadores poseen gran importancia en los procesos industriales. Ahora veremos algunos ejemplos importantes:

La gasolina de alto grado se consigue mediante un proceso conocido como hidrofinado, es decir, la hidrogenación de petróleo refinado a alta presión y con un catalizador, como por ejemplo el óxido de molibdeno. El hidrofinado no sólo convierte el petróleo de bajo valor en gasolina de mayor valor, sino que al mismo tiempo purifica químicamente el producto eliminando elementos no deseados, como el azufre. El gasógeno, el carbón y el alquitrán de hulla pueden también hidrogenarse para producir gasolina.

La gasolina sin plomo aparece a principios de la década de 1970 como resultado del aumento de la concienciación pública acerca de la contaminación atmosférica. Desde 1975 todos los automóviles nuevos fabricados en Estados Unidos cuentan con catalizadores que reducen las emisiones contaminantes. Dado que el plomo estropea el catalizador, se empezó a producir gasolina sin plomo. Los países más desarrollados han seguido también esta tendencia, sobre todo gravando con impuestos adicionales el uso del combustible con plomo.

Un dispositivo incorporado a los sistemas de escape del automóvil para reducir la cantidad de sustancias contaminantes en cualquier gas de escape. El catalizador contiene pequeñas bolitas recubiertas de metal (paladio o platino). Cuando los gases de escape pasan por el catalizador, estos metales actúan como sustancias catalizadoras que favorecen reacciones químicas y transforman el monóxido de carbono y determinados hidrocarburos, en algo más inocuo, como el dióxido de carbono o el agua Los coches provistos de catalizador deben utilizar gasolina sin plomo, de lo contrario las bolitas se recubren de plomo y dejan de actuar correctamente.

El craqueo ha llegado a ser muy importante en las refinerías de petróleo como un medio de aumentar la producción de gasolina a expensas de productos más pesados y menos valiosos, como el queroseno y el petróleo combustible. Los procesos catalíticos más conocidos, que han suplantado con mucho a los antiguos procesos térmicos, son la técnica de lecho fluidizado y la de fluido catalítico, que usan polvos de gel de luminio-sílice como catalizadores. En el proceso de lecho fluidizado, se pasa el petróleo a través de un lecho estacionario de partículas sólidas; en el proceso de fluido catalítico, las partículas son móviles y están suspendidas en una corriente de vapores de petróleo a una temperatura de 450 ° a 540 °C, y a una presión de 2,4 atmósferas. Al tratar un compuesto no saturado con hidrógeno a la temperatura adecuada y en presencia de un catalizador, como por ejemplo níquel, platino o paladio finamente dividido, el enlace múltiple entre los átomos de carbono se rompe y a cada átomo de carbono se une un átomo de hidrógeno

Los pegamentos termoestables, que se transforman en sólidos duros y resistentes al calor por la adición de un catalizador.

En los catalizadores hay muchas sustancias que inhiben, o veneno, como son las tales sustancias como gas nervioso e insecticidas.

PROCESO CATALIZADOR

Síntesis del amoniaco hierro

Producción del ácido sulfúrico oxido de nitrógeno II, platino

Cracking del petróleo silice-aluminio

Hidrogenación de un hidrocarburo insaturado niquel, platino o paladio

Oxidación de hidrocarburos del escape oxido de vanadio, platino, paladio

de los automóviles (catalizador)

Isomeración (conversión de n-butano a isobutano) ácido sulfúrico,

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