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En química, se denomina catalizador a toda sustancia que afecta a la velocidad de una reacción alterando la energía de activación necesaria para que la reacción comience. Generalmente se reserva el término catalizador para los que aumentan la velocidad de reacción (catálisis positiva) y se llaman inhibidores a los catalizadores que la disminuyen (catálisis negativa).

El catalizador realiza su función permaneciendo intacto al final de la reacción, aunque haya podido participar en pasos intermedios, el catalizador no es consumido. La diferencia entre una reacción sin catalizar y una catalizada es el cambio en la energía de activación sin que haya cambios de energía en los reactantes ni en los productos.

Es decir, la diferencia de entalpía (ΔH) es la misma para las dos reacciones pero ocurren a velocidad diferente. Por ejemplo, un catalizador puede aumentar la velocidad de una reacción sin necesidad de aumentar la temperatura ni la presión, esto a su vez hace posible que esa reacción pueda tener lugar a temperaturas inferiores a las que ocurriría de forma normal.

Algunas sustancias no son capaces de alterar la velocidad de una reacción por sí solas, pero pueden aumentar la acción de determinados tipos de catalizadores. Estas sustancias se conocen como promotores.

Mecanismos catalizadores

La actividad catalítica de una sustancia se suele medir en mol/s (moles por segundo), unidad llamada katal y representada con el símbolo kat en el Sistema Internacional de Unidades. No se debe confundir con velocidad de reacción; el katal es una propiedad del catalizador bajo determinadas circunstancias y para una reacción específica.

Una actividad catalítica de 1 kat representa la cantidad de catalizador necesaria para transformar 1 mol de sustrato. Un mismo catalizador suele tener diferentes actividades catalíticas para diferentes reacciones.

De forma general, los catalizadores actúan ofreciendo una ruta alternativa para la reacción. Generalmente reaccionan con uno o más reactantes formando intermediarios que continúan reaccionando hasta llegar al producto final y liberar al catalizador.

El proceso se puede esquematizar en los siguientes pasos (X e Y son los reactantes, C el catalizador, Z es el producto final de la reacción):

  1. X + Y + C → XC + Y
  2. Y + XC → XYC
  3. XYCCZ
  4. CZ → C + Z

Aunque hay cuatro pasos, la reacción global es la misma que sin la intervención del catalizador:

X + Y → Z

El efecto del catalizador sobre la velocidad de reacción se debe a la menor energía de activación de la ruta alternativa que ofrece el catalizador. Es decir, el catalizador ofrece un estado de transición para la reacción que requiere menor energía de activación.

Esquema de la energía con catalizador
Esquema de la energía de una reacción con y sin catalizador

Por ejemplo, la descomposición del H2O2 (peróxido de hidrógeno) en agua y oxígeno molecular es termodinámicamente favorable pero es bastante lenta; al añadir óxido de manganeso IV (pirolusita o MnO2), el peróxido de hidrógeno se descompone rápidamente y la pirolusita se puede recuperar intacta:

2H2O2 + MnO2 → 2H2O + O2 + MnO2

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Los mecanismos a nivel atómico y molecular pueden ser muy variables, y en muchos casos, específicos de cada combinación reacción-catalizador.

Por ejemplo, la catálisis de la hidrogenación de dobles enlaces carbono-carbono (C=C) por una superficie metálica comienza con la interacción del hidrógeno molecular (H2) con la superficie del metal, disociándose para formar átomos de hidrógeno unidos a la superficie. El doble enlace también se rompe y se une a la superficie, y entonces los átomos de hidrógeno migran, se unen a los carbonos y se liberan de la superficie metálica:

Catálisis metálica de la hidrogenación del etileno
Catálisis metálica de la hidrogenación del etileno

Tipos de catalizadores

Los catalizadores se suelen clasificar en dos grandes tipos en función de si el catalizador está o no en la misma fase que los reactantes, aunque los mecanismos de funcionamiento generales se aplican a ambos tipos. Así, se pueden distinguir:

  1. Catalizadores heterogéneos: el catalizador se encuentra en una fase diferente que los reactantes. Por ejemplo, el catalizador puede estar en estado sólido y los reactantes en disolución líquida o gaseosa.
  2. Catalizadores homogéneos: el catalizador se encuentra en la misma fase que los reactantes. Por ejemplo, los reactantes y el catalizador están en disolución.

Catalizadores heterogéneos

Los catalizadores heterogéneos actúan en una fase diferente que los reactantes. La mayoría de los catalizadores heterogéneos son sólidos que actúan sobre sustratos presentes en un líquido o en un gas. La catálisis tiene lugar en la superficie del sólido a través de diferentes mecanismos de adsorción: de Langmuir-Hinshelwood, de Eley-Rideal o mecanismo de Mars-van Krevelen.

Los sitios activos son las zonas de la superficie del catalizador dónde tiene lugar la interacción con los sustratos. En estas zonas están presentes los átomos y estructuras que hacen posible esa interacción, pero no suelen ser lo más abundante en la superficie del catalizador, lo que hace que comúnmente la mayor parte del volumen y superficie de un catalizador sólido sea catalíticamente inerte.

Dado que es en la superficie donde están los sitios activos, a mayor superficie expuesta mayor actividad catalítica, por eso los catalizadores heterogéneos suelen utilizarse en forma de polvo, virutas e incluso nanopartículas.

Además, los catalizadores heterogéneos se suelen utilizar en un soporte, otro material catalíticamente inerte en el que se dispersa el catalizador con el fin de reducir su coste, evitar aglomeración del catalizador, aumentar la superficie expuesta y otros efectos que aumenten la efectividad del catalizador.

Un ejemplo típico de catálisis heterogénea lo encontramos en la síntesis de amoniaco en el conocido como proceso de Haber, o de Haber-Bosch, que utiliza hierro metálico como catalizador de la reacción entre nitrógeno e hidrógeno. Se parte de gases de nitrógeno (N2) e hidrógeno (H2) y se hace pasar por partículas muy finas de hierro metálico. Los gases se unen en los sitios activos de la superficie metálica y sus moléculas se disocian quedando especies atómicas adsorbidas (quimisorción). De este modo, el tiple enlace en el nitrógeno molecular, un enlace muy fuerte, se rompe con mayor facilidad, disminuye la energía de activación para la reacción y la velocidad global se incrementa.

Proceso de Haber-Bosch
Esquema del proceso de Haber-Bosch

Catalizadores homogéneos

Los catalizadores homogéneos actúan en la misma fase que los reactantes, lo que suele implicar que el catalizador y los reactantes estén disueltos en un mismo solvente. Entre los ejemplos más comunes de catalizadores homogéneos tenemos:

  • Catalizadores organometálicos: son moléculas orgánicas con elementos metálicos que suelen formar los sitios activos. Se utilizan tanto en reacciones con sustratos orgánicos como inorgánicos.
  • Catalizadores orgánicos (organocatálisis): son catalizadores completamente orgánicos, sin metales, que catalizan reacciones orgánicas.
  • Fotocatálisis: la fotocatálisis se produce cuándo el catalizador necesita recibir radiación electromagnética, por ejemplo luz visible, para pasar a un estado excitado y ser catalíticamente activo. En el estado excitado interacciona con los reactantes y pasa de nuevo al estado basal sin ser consumido en la reacción.
  • Enzimas y biocatalizadores: los biocatalizadores y enzimas son sustancias cuya actividad biológica es la catálisis de reacciones metabólicas. Las enzimas son moléculas orgánicas y casi todas son de naturaleza proteica. Los biocatalizadores se utilizan también a nivel industrial, por ejemplo en la elaboración de jarabe de maíz alto en fructosa. Las enzimas solubles serían catalizadores homogéneos, pero las enzimas de membrana serían, estrictamente hablando, catalizadores heterogéneos.
  • Nanocatálisis: son catalizadores sólidos disminuidos hasta nanopartículas que conservan la función catalítica. La superficie del catalizador expuesta se ve aumentada al máximo, consiguiéndose una gran actividad catalítica por unidad de masa. Un ejemplo serían las llamadas nanozimas, nanopartículas que mimetizan la actividad de una determinada enzima.
  • Autocatalizadores: es un fenómeno catalítico muy interesante que consiste en que el producto de una reacción tiene actividad catalítica sobre la reacción que lo produce. A medida que la reacción avanza, cada vez hay más catalizador y la reacción va aumentando de velocidad. La reacción global se puede esquematizar en A + B → 2B, teniendo B actividad catalítica.

Impacto ambiental

El uso de catalizadores a nivel industrial es prácticamente universal, más del 90% de las sustancias químicas comercializadas son obtenidas en procesos que utilizan algún tipo de catálisis, ya que disminuir la energía necesaria y aumentar la velocidad de reacción son claves para disminuir el coste de producción.

Y no solo en la industria química, la catálisis se utiliza en otros muchos sectores; por ejemplo, la hidrogenación de grasas en la industria alimentaria se suele hacer mediante catálisis con níquel.

En el medio ambiente, muchos contaminantes actúan aumentando la velocidad de reacciones perjudiciales. Por ejemplo, los radicales libres de cloruros catalizan la ruptura de ozono en oxígeno molecular. La acción de la radiación UV del Sol sobre los clorofluorocarbonos que contaminan la atmósfera da lugar a este tipo de radicales y es una de las principales causas del agujero en la capa de ozono.

  1. Cl· + O3 → ClO· + O2
  2. ClO· + O· → Cl· + O2

Referencias

  1. Tema 7: Superficies sólidas: adsorción y catálisis heterogénea. Apuntes de Química Física Avanzada. Departamento de Química Física. Univèrsitat de València.
  2. Wintterlin, J. et al. (1997). Atomic and Macroscopic Reaction Rates of a Surface-Catalyzed Reaction. Science 278:1931–4. doi: 10.1126/science.278.5345.1931.
  3. Wei, Hui; Wang, Erkang (2013). Nanomaterials with enzyme-like characteristics (nanozymes): next-generation artificial enzymes. Chemical Society Reviews 42(14). doi: 10.1039/C3CS35486E.

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