EFECTO DE LOS CATALIZADORES SOBRE LAS REACCIONES QUIMICAS

EFECTO DE LOS CATALIZADORES SOBRE LAS REACCIONES QUIMICAS

Juan David Alvarino Morales

Facultad de Ciencias Básicas.

Programa: Química.

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Al estudiar las reacciones químicas y las leyes que las rigen, se hace necesario responder a una serie de interrogantes ¿Cómo se puede predecir si una reacción se llevara a cabo o no? Una vez que ha iniciado una reacción ¿Qué tan rápido procede? ¿Cuánto avanzará la reacción antes de detenerse? Las leyes de la termodinámica nos brindan la respuesta a la primera pregunta. Su enfoque de estudio se da en los sistemas químicos estacionarios, examina los cambios que experimentan las propiedades de equilibrio durante el proceso, permitiendo conocer la posición en la cual la reacción alcanzara el equilibrio. Por otro lado, ya que el área termodinámica desconoce la transición al estado de equilibrio, se introdujo una rama de la fisicoquímica que estudiase la evolución en el tiempo de las reacciones químicas; con el fin de obtener una base cuantitativa con la cual esclarecer las teorías de la reactividad química.

Antiguamente entre los más destacados tratamientos matemáticos acerca de la rapidez de reacciones se encuentra la ley de velocidad y el modelo Arrhenius, que dependían de parámetros como la temperatura, concentración y naturaleza de reactivos.

La ley de velocidad establece que las velocidades de reacción son proporcionales a los productos de las concentraciones activas de los reaccionantes, elevándose cada concentración a una potencia alguna. Al querer expresar la afirmación en una ecuación se introduce una constante(k) de proporcionalidadcuya constante representa los efectos de la naturaleza de los reaccionantes, catalizadores, temperatura, entre otros factores, con excepción de las concentraciones, que afectan a las velocidades de reacción. [pic 3]

Es importante realizar hincapié en dos factores importantes de la rapidez de reacción citados en el párrafo anterior, los cuales son la temperatura y los catalizadores, ya que quizás, el principal problema de esta rama es encontrar una forma adecuada de la ley de velocidad que permita optimizar un proceso químico de reacción, es decir, que si se realiza un manejo adecuado de estos parámetros es posible mejorar la cinética de una reacción. Experimentalmente se demostró que al elevar la temperatura se producía un aumento en la velocidad de reacción y en 1886 Van’t Hoff propuso la idea para mostrar que la rapidez de las reacciones era una función de la concentración en el reactor y de la temperatura. Posterior, en 1889 Arrhenius escribió una famosa publicación donde propuso que las reacciones eran activadas porque sólo las moléculas “calientes” en realidad pueden reaccionar, también cuantifico el comportamiento sobre la temperatura en la rapidez de una reacción química. En 1918, Trautz y Lewis cuantificaron la idea mostrando que la rapidez de una reacción era igual a la rapidez de la colisión, por la probabilidad de que la colisión conduzca a la reacción. El modelo resultante se llamó Teoría de colisiones, el cual sigue vigente (Massel - 2001). 

A pesar de ser la temperatura un ventajoso factor para la cinética química, presento ciertas desventajas. Se descubrió que el rendimiento de ciertas reacciones podía disminuir inversamente proporcional a la temperatura debido a que los productos que se formaban a temperaturas elevadas podían participar en otras reacciones. Esta problemática fue dándose a conocer a finales del siglo pasado, cuando muchos químicos se esforzaban por sintetizar amoniaco(NH3) a partir de nitrógeno(N2) e hidrogeno(H2), se sabe que la fuente de nitrógeno atmosférico es prácticamente inagotable y el hidrogeno gaseoso puede producirse con facilidad al pasar vapor de agua sobre carbón calentado. La formación de NH3, apartir de N2 y de H2 es exotérmica, sin embargo, la velocidad de la reacción es extremadamente lenta a temperatura ambiente. Al aumentar la temperatura la temperatura se acelera la reacción directa, pero al mismo tiempo se promueve la descomposición de moléculas de NH3 en H2 y N2, lo que reduce el rendimiento de NH3. No obstante, en 1905 después de realizar pruebas con cientos de compuestos a varias temperaturas y presiones, Fritz Haber descubrió que el hierro más un pequeño porcentaje de óxidos de potasio y de aluminio, favorecían la reacción del hidrógeno con el nitrógeno para producir amoniaco, a más o menos 500°C. Este procedimiento se conoce como el proceso Haber, que además fue uno de los primeros usos de catalizadores.

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