Catalizadores

Los catalizadores son elementos utilizados en una reacción con la finalidad de variar la velocidad de reacción de dicha reacción mediante un proceso denominado catálisis. Estos elementos pueden ser utilizados en procesos industriales (catalizador de un coche, por ejemplo), así como también pueden darse de manera natural (en procesos bioquímicos, por ejemplo, como las enzimas). Más adelante se verá con más detalle.

Por lo general, el término de catalizador está reservado a aquellos elementos que aumentan la velocidad de reacción, por lo que aquellos catalizadores que disminuyan la velocidad de reacción recibirán el nombre específico de inhibidores o catalizadores negativos.

La acción de un catalizador no podrá ser visible nunca en la ecuación de la reacción en la que actúa, pero si podría aparecer en la ecuación de la ley de velocidad.

Por ejemplo:

H2O2 (aq) H2O (l) + ½ O2 (g)

Si añadimos dióxido de manganeso (Mn 02) a dicha reacción, se producirá un aumento de la velocidad de reacción, pero la ecuación de reacción será la misma.

La causa de este aumento de la velocidad de reacción se ve explicada por la disminución de la energía de activación. La energía de activación es la energía mínima que deben tener las moléculas para que dicha reacción se lleve a cabo, por lo que al disminuir dicha energía, la reacción transcurrirá con mayor fluidez y, por tanto, más rápidamente.

También cabe destacar que la acción de un catalizador no afectará a la espontaneidad ni al calor de la reacción, ya que la entalpía de reacción, la entropía de reacción y la energía libre de Gibbs de la reacción serán las mismas tanto si se usa un catalizador en la reacción como si no se usa. Esto es debido a que la entalpía, entropía y la energía libre de Gibbs solo dependen de las entalpías y entropías de reactivos y productos (hemos de hacer hincapié en que los catalizadores no intervienen en la ecuación de la reacción).

Existen ciertas sustancias llamadas venenos que interfieren en la moléculas del catalizador dejándolos inutilizables. La presencia de estos venenos reducirá la cantidad de catalizador disponible, siendo menos efectivo. Por el contrario, también existen ciertas sustancias llamadas promotoras, que no tienen capacidad catalítica en sí, pero aumentan la eficacia de los catalizadores.

Se distinguen tres tipos de catálisis:

Catálisis homogénea:

En este caso, el catalizador está en disolución con los reactivos o en la misma fase que éstos.

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.

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 trióxido de azufre. Tanto al principio como al final de la reacción existe la misma cantidad de óxido nítrico.

2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g)

Se añade NO2 gaseoso.

Catálisis heterogénea o de contacto:

En este caso, el catalizador se encuentra en una fase distinta a la que se encuentran los reactivos.

Los catalizadores heterogéneos o de contacto suelen ser sólidos y son materiales capaces de adsorber moléculas de gases o líquidos en sus superficies. Este tipo de catálisis es muy usada en los procesos industriales.

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.

Reacciones químicas de un convertidor catalítico de automóvil:

Pt

2 CO (g) + O2 (g) 2 CO2 (g)

Pt

2 C8H18 (g) + 25 O2 (g) 16 CO2 (g) + 18 H2O (g)

Rh

2NOx (g) x O2 (g) + N2 (g)

Esquema de un convertidor catalítico de automóvil:

Se puede observar el uso de catalizadores heterogéneos, como los metales nobles platino y rodio.

La finalidad de estos convertidores catalíticos es la reducción de las emisiones a la atmósfera de gases contaminantes tales como CO, hidrocarburos como C8H18 y otros gases como NO y NO2.

Como hemos dicho antes, existen sustancias que interfieren en la eficacia de los catalizadores (venenos). Un veneno que podría dañar los catalizadores de un automóvil es el plomo.

Catálisis enzimática:

Las enzimas son proteínas de elevada masa molecular que catalizan las reacciones bioquímicas, es decir, son catalizadores que tienen la función en los organismos vivos de acelerar reacciones que de otra forma requerirían temperaturas muy elevadas que podrían destruir la mayoría de los organismos. Gracias a la acción de las enzimas, las reacciones que transcurren en nuestro cuerpo se pueden realizar a una temperatura relativamente baja (37º).

Cabe destacar que cada proceso bioquímico tiene su enzima específica. El reactivo (sustrato) encaja perfectamente en un punto específico de la superficie de la enzima, manteniéndose en esa posición por la acción de las fuerzas intermoleculares. Después de la adsorción, la configuración de la enzima puede variar, debilitándose el enlace clave del sustrato y aumentando la velocidad de reacción.

Las enzimas frecuentemente tienen coenzimas como el trifosfato de adenosina que participa en la energía y los procesos productores a través de membranas de la célula.

Como cualquier catalizador, también existen venenos o inhibidores para las enzimas, como el ion de cianuro, un inhibidor muy potente.

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 gramos de pepsina cristalina pura son capaces de digerir casi dos toneladas métricas de clara de huevo en pocas horas.

Algún uso industrial:

La gasolina de alto grado se consigue mediante un proceso conocido como hidrofinado, es decir, la hidrogenación de petróleo refinado a alta presión con un catalizador, como por ejemplo el óxido de molibdeno.

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

Los convertidores catalíticos de los automóviles anteriormente mencionados que convierten sustancias nocivas para el medio ambiente como CO o NO, NO2 en sustancias más inofensivas como N o CO2. Cabe destacar que, dado que el plomo estropea el catalizador, se empezó a producir gasolina sin plomo.