Catalisis

1. Principio básico de la Catálisis

La velocidad de numerosas reacciones aumenta enormemente en presencia de substancias que no son reactantes ni productos de la reacción en su acepción habitual. Estas substancias se denominan catalizadores, denominando de la misma manera catálisis como el proceso por el cual la velocidad de reacción aumenta. Es difícil, determinar la importancia de la catálisis, pues en muchos procesos industriales y otros relacionados con la actividad de los seres vivos, no serían posibles sin llevar a cabo su práctica; se han realizado estudios que traen como resultado un estimado de 90% de los procesos actuales de producción de sustancias químicas y de refinería son desarrollados catalíticos. En 2005, los procesos catalíticos generaron cerca de 900.000 millones de dólares en productos de todo el mundo. La catálisis es tan penetrante que las subáreas no son fácilmente clasificables. Algunas áreas de particular concentración se estudian más adelante.

Dentro de estos principios de la catálisis se estudia la velocidad de las reacciones químicas que son catalizadas por las enzimas. El estudio de la cinética de una enzima permite explicar los detalles de su mecanismo catalítico, su papel en el metabolismo, cómo es controlada su actividad en la célula y cómo puede ser inhibida su actividad por fármacos o venenos o potenciada por otro tipo de moléculas.

El desarrollo de la quimica industrial se debe en gran medida a la catálisis, pero tambien encontramos catalizadores en la vida cotidiana: en estufas catalíticas, en los automóviles y sobre todo en nosotros mismos. Los seres vivos somos la más compleja industria química, en la que se producen millones de reacciones a la vez; la vida sería imposible sin la presencia de los catalizadores biológicos: las enzimas.

1.1 Reacciones catalizadas.

La reacción catalítica es un proceso cíclico construido por una serie de etapas elementales en un cliclo cerrado, que al final de la misma se obtiene el catalizador en un proceso original.

Cineticamente hablando las reacciones catalíticas se comportan como las reacciones químicas típicas, es decir, la velocidad de reacción depende de la frecuencia de contacto de los reactivos en la etapa determinante de velocidad. Normalmente, el catalizador participa en esta etapa lenta, y las velocidades están limitadas por la cantidad de catalizador. En catálisis heterogénea, la difusión de los reactivos a la superficie de contacto y la difusión de los productos desde dicha superficie puede ser la etapa determinante de la velocidad. Eventos similares relacionados con la unión del sustrato y la disociación del producto se aplican en la catálisis homogénea.

Aunque los catalizadores no son consumidos por la propia reacción, pueden resultar inhibidos, desactivados o destruidos por procesos secundarios. En la catálisis heterogénea, procesos secundarios típicos incluyen el coqueo, donde el catalizador se cubre por productos secundarios poliméricos. Además, los catalizadores heterogéneos pueden disolverse en la solución en un sistema sólido-líquido o evaporase en un sistema sólido-gas.

La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas. Estos estudios proporcionan información directa acerca del mecanismo de la reacción catalítica y de la especificación de la enzima.

La velocidad de una reacción catalizada por un enzima puede medirse con relativa facilidad, ya que en muchos casos no es necesario purificar o aislar el enzima. La medida se realiza siempre en las condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia de cofactores, entre otros, y se utilizan concentraciones saturantes de sustrato.

1.2 Cinética de las Reacciones.

La cinética permite conocer con que velocidad se desarrolla y se aproxima al equilibrio una reacción química, así como cuáles serán las contribuciones cuantitativas de cada uno de los factores que influyen en la velocidad. En los sistemas homogéneos las variables que influyen son la temperatura, la presión y la composición. En los sistemas heterogéneos el problema es más complejo ya que habrá además que considerar el transporte de materia entre fases y el modo en que contactan dichas fases.

Si una reacción química se desarrolla en una sola etapa se denomina reacción elemental, mientras si consta de varias etapas elementales, que constituyen el mecanismo de reacción, se denomina reacción compleja o compuesta.

Así mismo también puede realizarse una subdivisión de los dos tipos de reacciones anteriores de manera que aparecen las reacciones catalizadas y las no catalizadas. Las primeras usan materiales denominados catalizadores que actúan acelerando la reacción. La velocidad a la que una reacción química se aproxima al equilibrio sin ser consumida en el proceso.

Tipos de reacciones Químicas

Reacciones No Catalizadas Catalizadas

Homogéneas La mayor parte de reacciones en fase gaseosa La mayor parte de reacciones en fase líquida

Heterogéneas Tostación de minerales

Combustión de sólidos

Reacciones de neutralización gas-sólido.

Absorción gas-líquido con reacción química Síntesis de amoniaco (Fe, Cr)

Craqueo de naftas (alúm, zeol.)

Oxidación SO2 a SO3 (V2O5)

Síntesis de éteres a partir de alcoholes y olefinas (resina int. iónico)

1.3 Clasificación de los sistemas catalíticos

La catálisis se clasifica en función de la naturaleza química del medio de la reacción. A partir del número de fases presentes y de la química implicada es posible agrupar de acuerdo

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