Diferentes tipos de catalizadores

En química, un Catalizador es una sustancia que acelera la velocidad de una reacción sin que ella misma se consuma en la reacción. Cualquier reacción que hace uso de un catalizador se denomina catálisis. Tenga cuidado con esta distinción al leer material de química; un catalizador (plural "catalizadores") es una sustancia física, pero la catálisis (plural "catalizadores") es un proceso.

Una descripción general de cada una de las clases de catalizadores es un punto de partida útil para aprender química analítica. y comprender lo que sucede a nivel molecular cuando se mezclan sustancias y se produce una reacción. Los catalizadores y sus reacciones catalíticas asociadas vienen en tres tipos principales: catalizadores homogéneos, catalizadores heterogéneos y biocatalizadores (generalmente llamados enzimas). Los tipos de actividades catalíticas menos comunes pero aún importantes incluyen la fotocatálisis, la catálisis ambiental y los procesos catalíticos ecológicos.

La mayoría de los catalizadores sólidos son metales (por ejemplo, platino o níquel) o casi metales (por ejemplo, silicio, boro y aluminio) unidos a elementos como oxígeno y azufre. Es más probable que los catalizadores que se encuentran en la fase líquida o gaseosa consistan en un solo elemento, aunque pueden combinarse con Los disolventes y otros materiales, y los catalizadores sólidos pueden diseminarse dentro de una matriz sólida o líquida conocida como soporte de catalizador.

Los catalizadores aceleran las reacciones al reducir la energía de activación mi_a de una reacción que procedería sin el catalizador, pero mucho más lentamente. Tales reacciones tienen un producto o productos con una energía total menor que la del reactivo o reactivos; si este no fuera el caso, estas reacciones no ocurrirían sin la adición de energía externa. Pero para pasar del estado de mayor energía al estado de menor energía, los productos deben "superar la joroba" primero, siendo esa "joroba" la E_a. Los catalizadores, en esencia, suavizan los baches a lo largo del camino de la energía de reacción al facilitar la reactivos para llegar a la energía "pendiente descendente" de la reacción simplemente reduciendo la elevación de la "cima de la colina".

Los sistemas químicos presentan ejemplos de catalizadores positivos y negativos; los primeros tienden a acelerar la velocidad de la reacción y los catalizadores negativos sirven para ralentizarlos. Ambos pueden ser ventajosos, dependiendo del resultado específico deseado.

Los catalizadores llevan a cabo su trabajo uniéndose temporalmente o modificando químicamente uno de los reactivos y cambiando su estado físico. conformación, o forma tridimensional, de una manera que facilite la transformación del reactivo o reactivos en uno de los productos. Imagínese tener un perro que se ha revolcado en el barro y necesita estar limpio antes de poder entrar. El barro se desprendería del perro por sí solo eventualmente, pero si pudieras hacer algo que empujara al perro en la dirección del aspersor del jardín para que el lodo fuera rociado de su pelaje rápidamente, habrías servido en efecto como un "catalizador" de la "reacción" del perro sucio a la "reacción" del perro limpio.

Muy a menudo, un producto intermedio que no se muestra en ningún resumen ordinario de la reacción se forma a partir de un reactivo y el catalizador, y cuando este complejo se transforma en uno o más productos finales, el catalizador se regenera como si nada le hubiera pasado a ninguno de ellos en todas. Como verá en breve, este proceso puede llevarse a cabo de diversas formas.

Se considera una reacción catalizado homogéneamente cuando el catalizador y el (los) reactivo (s) están en el mismo estado físico o fase. Esto ocurre con mayor frecuencia con pares de catalizador-reactivo gaseosos. Los tipos de catalizadores homogéneos incluyen ácidos orgánicos en los que el átomo de hidrógeno donado es reemplazado por un metal, un número de compuestos que mezclan carbono y elementos metálicos de alguna forma, y ​​compuestos de carbonilo unidos al cobalto o planchar.

Un ejemplo de este tipo de catálisis que involucra líquidos es la conversión de iones persulfato y yoduro en iones sulfato y yodo:

S₂O₈^2- + 2 yo^- → 2 ASÍ₄^2- + Yo₂

Esta reacción tendría dificultades para proceder por sí sola a pesar de la energía favorable, porque tanto Los reactivos están cargados negativamente y, por lo tanto, sus cualidades electrostáticas están en oposición a sus propiedades químicas. Cualidades Pero si se agregan iones de hierro, que tienen una carga positiva, a la mezcla, el hierro "distrae" las cargas negativas y la reacción avanza rápidamente.

Una catálisis homogénea gaseosa de origen natural es la conversión de gas oxígeno, u O₂, en la atmósfera al ozono, o O₃, donde los radicales de oxígeno (O^-) son intermedios. Aquí, la luz ultravioleta del sol es el verdadero catalizador, pero todos los compuestos físicos presentes están en el mismo estado (gas).

Se considera una reacción catalizado heterogéneamente cuando el catalizador y el (los) reactivo (s) están en fases diferentes, con la reacción ocurriendo en la interfaz entre ellos (más comúnmente, el "borde" gas-sólido). Algunos de los catalizadores heterogéneos más comunes incluyen sólidos inorgánicos, es decir, que no contienen carbono, como los elementales metales, sulfuros y sales metálicas, así como algunas sustancias orgánicas, entre ellas hidroperóxidos y iones intercambiadores.

Las zeolitas son una clase importante de catalizadores heterogéneos. Estos son sólidos cristalinos compuestos por unidades repetidas de SiO.₄. Las unidades de cuatro de estas moléculas unidas se unen para formar diferentes estructuras de anillo y jaula. La presencia de un átomo de aluminio en el cristal crea un desequilibrio de carga, que se compensa con un protón (es decir, un ion de hidrógeno).

Las enzimas son proteínas que funcionan como catalizadores en los sistemas vivos. Estas enzimas tienen componentes llamados sitios de unión al sustrato, o sitios activos, donde se unen las moléculas involucradas en la reacción bajo catálisis. Los componentes de todas las proteínas son aminoácidos, y cada uno de estos ácidos individuales tiene una distribución de carga desigual de un extremo al otro. Esta propiedad es la principal razón por la que las enzimas poseen capacidades catalíticas.

El sitio activo de la enzima encaja junto con la parte correcta del sustrato (reactivo) como una llave que entra en una cerradura. Tenga en cuenta que los catalizadores descritos anteriormente a menudo catalizan una serie de reacciones diferentes y, por lo tanto, no poseen el grado de especificidad química que poseen las enzimas.

En general, cuando hay más sustrato y más enzima, la reacción procederá más rápidamente. Pero si se agrega más y más sustrato sin agregar más enzima también, todos los enzimáticos los sitios de unión se saturan y la reacción ha alcanzado su velocidad máxima para esa enzima concentración. Cada reacción catalizada por una enzima se puede representar en términos de los productos intermedios formados debido a la presencia de la enzima. Es decir, en lugar de escribir:

S → P

para mostrar un sustrato que se transforma en un producto, puede representarlo como:

E + S → ES → E + P

en donde el término medio es el complejo enzima-sustrato (ES).

Las enzimas, aunque clasificadas como una categoría de catalizador distinta de las enumeradas anteriormente, pueden ser homogéneas o heterogéneas.

Las enzimas funcionan de manera óptima dentro de un rango de temperatura estrecho, lo que tiene sentido dado que la temperatura de su cuerpo no fluctúa más de unos pocos grados en condiciones normales. El calor extremo destruye muchas enzimas y hace que pierdan su forma tridimensional específica, un proceso llamado desnaturalización que se aplica a todas las proteínas.