Catálisis ( / k ə t æ l ə s ɪ s / ) es el proceso de aumento de la tasa de una reacción química mediante la adición de una sustancia conocida como un catalizador [1] ( / k æ t əl ɪ s t / ), que no se consume en la reacción catalizada y puede continuar actuando repetidamente. Debido a esto, solo se requieren cantidades muy pequeñas de catalizador para alterar la velocidad de reacción en principio. [2]
En general, las reacciones químicas ocurren más rápido en presencia de un catalizador porque el catalizador proporciona una vía de reacción alternativa con una energía de activación menor que el mecanismo no catalizado. En los mecanismos catalizados, el catalizador generalmente reacciona para formar un intermedio temporal , que luego regenera el catalizador original en un proceso cíclico. Una sustancia que proporciona un mecanismo con una energía de activación más alta no disminuye la velocidad porque la reacción todavía puede ocurrir por la ruta no catalizada. [3] Una sustancia añadida que reduce la velocidad de reacción no se considera un catalizador [1] sino un inhibidor de la reacción ( ver más abajo ).
Los catalizadores pueden clasificarse como homogéneos o heterogéneos . Un catalizador homogéneo es aquel cuyas moléculas se dispersan en la misma fase (generalmente gaseosa o líquida) que las moléculas del reactivo. Un catalizador heterogéneo es aquel cuyas moléculas no están en la misma fase que el reactivo, que son típicamente gases o líquidos que se adsorben en la superficie del catalizador sólido. Las enzimas y otros biocatalizadores a menudo se consideran como una tercera categoría.
Perspectiva técnica [ editar ]
En presencia de un catalizador, se requiere menos energía libre para alcanzar el estado de transición , pero la energía libre total de los reactivos a los productos no cambia. [1] Un catalizador puede participar en múltiples transformaciones químicas. El efecto de un catalizador puede variar debido a la presencia de otras sustancias conocidas como inhibidores o venenos (que reducen la actividad catalítica) o promotores (que aumentan la actividad y también afectan la temperatura de la reacción). [1]
Las reacciones catalizadas tienen una energía de activación más baja (energía de activación libre limitante de la velocidad) que la reacción no catalizada correspondiente, lo que resulta en una velocidad de reacción más alta a la misma temperatura y para las mismas concentraciones de reactivo . Sin embargo, la mecánica detallada de la catálisis es compleja. Los catalizadores pueden unirse a los reactivos para polarizar los enlaces, por ejemplo , catalizadores ácidos para reacciones de compuestos de carbonilo , o formar intermedios específicos que no se producen naturalmente, como los ésteres de osmato en dihidroxilación catalizada por tetróxido de osmio de alquenos , o causar la disociación de reactivos a formas reactivas , comohidrógeno quimisorbido en hidrogenación catalítica .
Cinéticamente , las reacciones catalíticas son reacciones químicas típicas ; es decir, la velocidad de reacción depende de la frecuencia de contacto de los reactivos en la etapa de determinación de la velocidad. Usualmente, el catalizador participa en este paso más lento, y las velocidades están limitadas por la cantidad de catalizador y su "actividad". En catálisis heterogénea , la difusión de reactivos a la superficie y la difusión de productos desde la superficie pueden determinar la velocidad. Un catalizador basado en nanomateriales es un ejemplo de un catalizador heterogéneo. Los eventos análogos asociados con la unión del sustrato y la disociación del producto se aplican a catalizadores homogéneos.
Aunque los catalizadores no son consumidos por la reacción en sí, pueden ser inhibidos, desactivados o destruidos por procesos secundarios. En la catálisis heterogénea , los procesos secundarios típicos incluyen coque donde el catalizador queda cubierto por productos secundarios poliméricos . Además, los catalizadores heterogéneos pueden disolverse en la solución en un sistema sólido-líquido o sublimarse en un sistema sólido-gas.
Fondo [ editar ]
La producción de la mayoría de los productos químicos de importancia industrial implica catálisis. Del mismo modo, la mayoría de los procesos bioquímicamente significativos están catalizados. La investigación sobre catálisis es un campo importante en la ciencia aplicada e involucra muchas áreas de la química, especialmente la química organometálica y la ciencia de los materiales . La catálisis es relevante para muchos aspectos de la ciencia ambiental , por ejemplo, el convertidor catalítico en automóviles y la dinámica del agujero de ozono . Se prefieren las reacciones catalíticas en la química ecológica ecológica debido a la cantidad reducida de residuos generados, [4] en lugar de la estequiometríareacciones en las que se consumen todos los reactivos y se forman más productos secundarios. Muchos metales de transición y complejos de metales de transición se usan también en catálisis. Los catalizadores llamados enzimas son importantes en biología .
Un catalizador funciona al proporcionar una vía de reacción alternativa al producto de reacción. La velocidad de la reacción aumenta ya que esta ruta alternativa tiene una energía de activación menor que la ruta de reacción no mediada por el catalizador. La desproporción del peróxido de hidrógeno crea agua y oxígeno , como se muestra a continuación.
- 2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2
Esta reacción es preferible en el sentido de que los productos de reacción son más estables que el material de partida, aunque la reacción no catalizada es lenta. De hecho, la descomposición del peróxido de hidrógeno es tan lenta que las soluciones de peróxido de hidrógeno están disponibles comercialmente. Esta reacción se ve fuertemente afectada por catalizadores como el dióxido de manganeso o la enzima peroxidasa en los organismos. Al agregar una pequeña cantidad de dióxido de manganeso , el peróxido de hidrógeno reacciona rápidamente. Este efecto se ve fácilmente por la efervescencia del oxígeno. [5] El dióxido de manganeso no se consume en la reacción y, por lo tanto, puede recuperarse sin cambios y reutilizarse indefinidamente. En consecuencia, el dióxido de manganeso catalizaEsta reacción. [6]
Principios generales [ editar ]
Unidades [ editar ]
La actividad catalítica generalmente se denota con el símbolo z [7] y se mide en mol / s, una unidad que se llamó katal y definió la unidad SI para la actividad catalítica desde 1999. La actividad catalítica no es un tipo de velocidad de reacción, sino una propiedad de El catalizador bajo ciertas condiciones, en relación con una reacción química específica . La actividad catalítica de un katal (Símbolo 1 kat = 1 mol / s) de un catalizador significa que un mol de ese catalizador (sustancia, en Mol ) catalizará 1 mol del reactivo al producto en un segundo. Un catalizador puede y generalmente tendrá una actividad catalítica diferente para reacciones distintas. Ver katal para un ejemplo.
Hay otras unidades SI derivadas relacionadas con la actividad catalítica, consulte la referencia anterior para más detalles.
Mecanismo típico [ editar ]
Los catalizadores generalmente reaccionan con uno o más reactivos para formar intermedios que posteriormente dan el producto de reacción final, en el proceso de regeneración del catalizador. El siguiente es un esquema de reacción típico, donde C representa el catalizador, X e Y son reactivos, y Z es el producto de la reacción de X e Y:
- X + C → X C( 1 )
- Y + X C → XY C( 2 )
- XY C → C Z( 3 )
- C Z → C + Z( 4 )
Aunque el catalizador se consume por la reacción 1 , posteriormente se produce por la reacción 4 , por lo que no ocurre en la ecuación de reacción global:
- X + Y → Z
A medida que se regenera un catalizador en una reacción, a menudo solo se necesitan pequeñas cantidades para aumentar la velocidad de la reacción. En la práctica, sin embargo, los catalizadores a veces se consumen en procesos secundarios.
El catalizador generalmente aparece en la ecuación de velocidad . Por ejemplo, si el paso de determinación de la velocidad en el esquema de reacción anterior es el primer paso
X + C → XC, la reacción catalizada será de segundo orden con la ecuación de velocidad v = k cat [X] [C], que es proporcional a la concentración de catalizador [C]. Sin embargo, [C] permanece constante durante la reacción, de modo que la reacción catalizada es de pseudo primer orden : v = k obs [X], donde k obs = k cat [C].
X + C → XC, la reacción catalizada será de segundo orden con la ecuación de velocidad v = k cat [X] [C], que es proporcional a la concentración de catalizador [C]. Sin embargo, [C] permanece constante durante la reacción, de modo que la reacción catalizada es de pseudo primer orden : v = k obs [X], donde k obs = k cat [C].
Como ejemplo de un mecanismo detallado a nivel microscópico, en 2008 los investigadores daneses revelaron por primera vez la secuencia de eventos cuando el oxígeno y el hidrógeno se combinan en la superficie del dióxido de titanio (TiO 2 , o titania ) para producir agua. Con una serie de imágenes de microscopía de túnel de barrido en un lapso de tiempo , determinaron que las moléculas sufren adsorción , disociación y difusión antes de reaccionar. Los estados de reacción intermedios fueron: HO 2 , H 2 O 2 , luego H 3 O 2y el producto de reacción final ( dímeros de moléculas de agua ), después de lo cual la molécula de agua se desorbe de la superficie del catalizador. [8] [9]
Energética de reacción [ editar ]
Los catalizadores funcionan al proporcionar un mecanismo (alternativo) que involucra un estado de transición diferente y una energía de activación más baja . En consecuencia, más colisiones moleculares tienen la energía necesaria para alcanzar el estado de transición. Por lo tanto, los catalizadores pueden permitir reacciones que de otro modo serían bloqueadas o ralentizadas por una barrera cinética. El catalizador puede aumentar la velocidad de reacción o la selectividad, o permitir la reacción a temperaturas más bajas. Este efecto puede ilustrarse con un diagrama de perfil de energía .
En el catalizada reacción elemental , los catalizadores no nocambiar la extensión de una reacción de: tienen ningún efecto sobre el equilibrio químico de una reacción debido a que la tasa de tanto el avance y la reacción inversa son afectados (véase también la termodinámica ). La segunda ley de la termodinámica describe por qué un catalizador no cambia el equilibrio químico de una reacción. Supongamos que hubiera un catalizador tal que cambiara el equilibrio. Introducir el catalizador en el sistema daría como resultado una reacción para moverse hacia el nuevo equilibrio, produciendo energía. La producción de energía es un resultado necesario ya que las reacciones son espontáneas solo si Gibbs libera energíase produce, y si no hay barrera energética, no hay necesidad de un catalizador. Luego, eliminar el catalizador también provocaría una reacción, produciendo energía; es decir, la adición y su proceso inverso, la eliminación, producirían energía. Por lo tanto, un catalizador que podría cambiar el equilibrio sería una máquina de movimiento perpetuo , una contradicción con las leyes de la termodinámica. [10] Por lo tanto, el catalizador no altera la constante de equilibrio. (Sin embargo, un catalizador puede cambiar las concentraciones de equilibrio al reaccionar en un paso posterior. Luego se consume a medida que avanza la reacción y, por lo tanto, también es un reactivo. Ilustrativo es la hidrólisis catalizada por bases de ésteres , donde el ácido carboxílico producido reacciona inmediatamente con el catalizador base y, por lo tanto, el equilibrio de la reacción se desplaza hacia la hidrólisis).
La unidad derivada del SI para medir la actividad catalítica de un catalizador es el katal , que es moles por segundo. La productividad de un catalizador puede describirse por el número de rotación (o TON) y la actividad catalítica por la frecuencia de rotación (TOF), que es la TON por unidad de tiempo. El equivalente bioquímico es la unidad enzimática . Para obtener más información sobre la eficiencia de la catálisis enzimática, consulte el artículo sobre enzimas .
El catalizador estabiliza el estado de transición más de lo que estabiliza el material de partida. Disminuye la barrera cinética al disminuir la diferencia de energía entre el material de partida y el estado de transición. Es nocambia la diferencia de energía entre los materiales de partida y productos (de barrera termodinámica), o la energía disponible (esto es proporcionado por el medio ambiente en forma de calor o de la luz).
Materiales [ editar ]
La naturaleza química de los catalizadores es tan diversa como la catálisis en sí misma, aunque se pueden hacer algunas generalizaciones. Los ácidos protónicos son probablemente los catalizadores más utilizados, especialmente para las muchas reacciones que involucran agua, incluida la hidrólisis y su reverso. Los sólidos multifuncionales a menudo son catalíticamente activos, por ejemplo, zeolitas , alúmina , óxidos de orden superior, carbono grafítico, nanopartículas, nanodots y facetas de materiales a granel. Los metales de transición a menudo se usan para catalizar reacciones redox (oxidación, hidrogenación). Ejemplos son el níquel , como el níquel Raney para la hidrogenación y el óxido de vanadio (V) para la oxidación dedióxido de azufre en trióxido de azufrepor el llamado proceso de contacto . Muchos procesos catalíticos, especialmente los utilizados en síntesis orgánica, requieren "metales de transición tardía", como paladio , platino , oro , rutenio , rodio o iridio .
Algunos llamados catalizadores son realmente precatalizadores . Los precatalizadores se convierten en catalizadores en la reacción. Por ejemplo, el catalizador RhCl de Wilkinson (PPh 3 ) 3 pierde un ligando de trifenilfosfina antes de entrar en el ciclo catalítico verdadero. Los precatalizadores son más fáciles de almacenar, pero se activan fácilmente in situ . Debido a este paso de preactivación, muchas reacciones catalíticas implican un período de inducción .
Especies químicas que mejoran la actividad catalítica se llaman cocatalizadores ( cocatalizadores ) o promotores de catálisis cooperativa .
Tipos [ editar ]
Los catalizadores pueden ser heterogéneos u homogéneos , dependiendo de si existe un catalizador en la misma fase que el sustrato . Los biocatalizadores (enzimas) a menudo se ven como un grupo separado.
Catalizadores heterogéneos [ editar ]
Los catalizadores heterogéneos actúan en una fase diferente a la de los reactivos . La mayoría de los catalizadores heterogéneos son sólidos que actúan sobre sustratos en una mezcla de reacción líquida o gaseosa . Se conocen diversos mecanismos para las reacciones en las superficies , dependiendo de cómo tenga lugar la adsorción ( Langmuir-Hinshelwood , Eley-Rideal y Mars-van Krevelen). [11] El área de superficie total del sólido tiene un efecto importante en la velocidad de reacción. Cuanto más pequeño es el tamaño de partícula del catalizador, mayor es el área de superficie para una masa dada de partículas.
Un catalizador heterogéneo tiene sitios activos , que son los átomos o las caras de cristal donde realmente ocurre la reacción. Dependiendo del mecanismo, el sitio activo puede ser una superficie metálica expuesta plana, un borde de cristal con valencia metálica imperfecta o una combinación complicada de los dos. Por lo tanto, no solo la mayor parte del volumen, sino también la mayor parte de la superficie de un catalizador heterogéneo puede estar catalíticamente inactivo. Descubrir la naturaleza del sitio activo requiere una investigación técnicamente desafiante. Por lo tanto, continúa la investigación empírica para descubrir nuevas combinaciones de metales para la catálisis.
Por ejemplo, en el proceso de Haber , el hierro finamente dividido sirve como catalizador para la síntesis de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno . Los gases que reaccionan se adsorben en sitios activos en las partículas de hierro. Una vez adsorbidos físicamente, los reactivos se someten a una quimisorción que da como resultado la disociación en especies atómicas adsorbidas, y nuevos enlaces entre los fragmentos resultantes se forman en parte debido a su proximidad. De esta manera, el triple enlace particularmente fuerteen nitrógeno se rompe, lo que sería extremadamente raro en la fase gaseosa debido a su alta energía de activación. Por lo tanto, la energía de activación de la reacción general se reduce y aumenta la velocidad de reacción. [ cita requerida ] Otro lugar donde se aplica un catalizador heterogéneo es en la oxidación de dióxido de azufre en óxido de vanadio (V) para la producción de ácido sulfúrico .
Los catalizadores heterogéneos son típicamente " soportados " , lo que significa que el catalizador se dispersa en un segundo material que mejora la efectividad o minimiza su costo. Los soportes evitan o reducen la aglomeración y la sinterización de las pequeñas partículas de catalizador, exponiendo más área de superficie, por lo que los catalizadores tienen una mayor actividad específica (por gramo) en un soporte. A veces, el soporte es simplemente una superficie sobre la cual se extiende el catalizador para aumentar el área superficial. Más a menudo, el soporte y el catalizador interactúan, afectando la reacción catalítica. Los soportes también se pueden usar en la síntesis de nanopartículas al proporcionar sitios para que las moléculas individuales de catalizador se unan químicamente. Los soportes son materiales porosos con una gran área superficial, más comúnmente alúmina , zeolitas.o varios tipos de carbón activado . Los soportes especializados incluyen dióxido de silicio , dióxido de titanio , carbonato de calcio y sulfato de bario .
Electrocatalizadores [ editar ]
En el contexto de la electroquímica , específicamente en la ingeniería de celdas de combustible , se utilizan diversos catalizadores que contienen metales para mejorar las velocidades de las medias reacciones que comprenden la celda de combustible. Un tipo común de electrocatalizador de pila de combustible se basa en nanopartículas de platino que se apoyan en partículas de carbono ligeramente más grandes . Cuando está en contacto con uno de los electrodos en una celda de combustible, este platino aumenta la tasa de reducción de oxígeno al agua, al hidróxido o al peróxido de hidrógeno .
Catalizadores homogéneos [ editar ]
Los catalizadores homogéneos funcionan en la misma fase que los reactivos, pero los principios mecanicistas implicados en la catálisis heterogénea son generalmente aplicables. Típicamente, los catalizadores homogéneos se disuelven en un disolvente con los sustratos. Un ejemplo de catálisis homogénea implica la influencia de H +en la esterificación de ácidos carboxílicos, como la formación de acetato de metilo a partir de ácido acético y metanol . [12] Un proceso de alto volumen que requiere un catalizador homogéneo es la hidroformilación , que agrega monóxido de carbono a un alqueno para producir un alquil aldehído. El aldehído se puede convertir en diversos productos como alcoholes o ácidos (por ejemplo, detergentes) o polioles (para plásticos como policarbonato o poliuretano ). Para los químicos inorgánicos, la catálisis homogénea es a menudo sinónimo de catalizadores organometálicos . [13]
Organocatálisis [ editar ]
Mientras que los metales de transición a veces atraen la mayor atención en el estudio de la catálisis, las moléculas orgánicas pequeñas sin metales también pueden exhibir propiedades catalíticas, como se desprende del hecho de que muchas enzimas carecen de metales de transición. Por lo general, los catalizadores orgánicos requieren una mayor carga (cantidad de catalizador por unidad de cantidad de reactivo, expresada en % en moles de cantidad de sustancia ) que los catalizadores basados en metales de transición (iones), pero estos catalizadores generalmente están disponibles comercialmente a granel, lo que ayuda a reducir costos. A principios de la década de 2000, estos organocatalizadores se consideraban "nueva generación" y son competitivos al metal tradicional.Catalizadores que contienen (iones). Se supone que los organocatalizadores funcionan de manera similar a las enzimas libres de metales que utilizan, por ejemplo, interacciones no covalentes, tales como enlaces de hidrógeno . La disciplina organocatálisis se divide en la aplicación de organocatalizadores covalentes (p. Ej., Prolina , DMAP ) y no covalentes (p. Ej., Organocatálisis de tiourea ) que se refieren a la unión e interacción catalítica- sustrato preferida , respectivamente.
Fotocatalizadores [ editar ]
La fotocatálisis es el fenómeno en el que el catalizador puede recibir luz (como la luz visible), pasar a un estado excitado y luego pasar por un cruce entre sistemas con el material de partida, volviendo al estado fundamental sin ser consumido. El estado excitado del material de partida sufrirá reacciones que normalmente no podría iluminarse directamente. Por ejemplo, el oxígeno singlete generalmente se produce por fotocatálisis. Los fotocatalizadores también son el ingrediente principal en las células solares sensibilizadas por colorantes .
Enzimas y biocatalizadores [ editar ]
En biología, las enzimas son catalizadores basados en proteínas en el metabolismo y el catabolismo . La mayoría de los biocatalizadores son enzimas, pero otras clases de biomoléculas no basadas en proteínas también exhiben propiedades catalíticas que incluyen ribozimas y desoxirribozimas sintéticas . [14]
Los biocatalizadores pueden considerarse intermedios entre catalizadores homogéneos y heterogéneos, aunque estrictamente hablando las enzimas solubles son catalizadores homogéneos y las enzimas unidas a la membrana son heterogéneas. Varios factores afectan la actividad de las enzimas (y otros catalizadores), incluida la temperatura, el pH, la concentración de enzimas, sustratos y productos. Un reactivo particularmente importante en las reacciones enzimáticas es el agua, que es el producto de muchas reacciones de formación de enlaces y un reactivo en muchos procesos de ruptura de enlaces.
En la biocatálisis , las enzimas se emplean para preparar muchos productos químicos, como el jarabe de maíz con alto contenido de fructosa y la acrilamida .
Algunos anticuerpos monoclonales cuyo objetivo de unión es una molécula estable que se asemeja al estado de transición de una reacción química pueden funcionar como catalizadores débiles para esa reacción química al disminuir su energía de activación. [15] Tales anticuerpos catalíticos a veces se denominan " abzimas ".
Nanocatalizadores [ editar ]
Los nanocatalizadores son nanomateriales con actividades catalíticas. Han sido ampliamente explorados para una amplia gama de aplicaciones. Entre ellos, los nanocatalizadores con actividades de imitación de enzimas se denominan colectivamente como nanozimas . [dieciséis]
Catálisis en tándem [ editar ]
En la catálisis en tándem, dos o más catalizadores diferentes se acoplan en una reacción de un recipiente.
Autocatálisis [ editar ]
En la autocatálisis, el catalizador es un producto de la reacción general, en contraste con todos los otros tipos de catálisis considerados en este artículo. El ejemplo más simple de autocatálisis es una reacción de tipo A + B → 2 B, en uno o en varios pasos. La reacción general es solo A → B, por lo que B es un producto. Pero dado que B también es un reactivo, puede estar presente en la ecuación de velocidad y afectar la velocidad de reacción. A medida que avanza la reacción, la concentración de B aumenta y puede acelerar la reacción como catalizador. En efecto, la reacción se acelera o se autocataliza.
Un ejemplo real es la hidrólisis de un éster como la aspirina a un ácido carboxílico y un alcohol . En ausencia de catalizadores ácidos añadidos, el producto de ácido carboxílico cataliza la hidrólisis.
Importancia [ editar ]
Se estima que el 90% de todos los productos químicos producidos comercialmente involucran catalizadores en alguna etapa del proceso de fabricación. [18] En 2005, los procesos catalíticos generaron alrededor de $ 900 mil millones en productos en todo el mundo. [19] La catálisis es tan generalizada que las subáreas no se clasifican fácilmente. Algunas áreas de concentración particular se analizan a continuación.
Procesamiento de energía [ editar ]
La refinación de petróleo hace un uso intensivo de la catálisis para la alquilación , el craqueo catalítico (descomposición de hidrocarburos de cadena larga en piezas más pequeñas), la reforma de nafta y la reforma de vapor (conversión de hidrocarburos en gas de síntesis ). Incluso el escape de la quema de combustibles fósiles se trata mediante catálisis: los convertidores catalíticos , generalmente compuestos de platino y rodio , descomponen algunos de los subproductos más dañinos del escape de automóviles.
- 2 CO + 2 NO → 2 CO 2 + N 2
Con respecto a los combustibles sintéticos, un proceso antiguo pero aún importante es la síntesis Fischer-Tropsch de hidrocarburos a partir del gas de síntesis , que a su vez se procesa mediante reacciones de desplazamiento de agua-gas , catalizadas por hierro. El biodiesel y los biocombustibles relacionados requieren procesamiento a través de biocatalizadores e inorgánicos.
Las celdas de combustible dependen de catalizadores para las reacciones anódicas y catódicas.
Los calentadores catalíticos generan calor sin llama a partir de un suministro de combustible combustible.
Productos químicos a granel [ editar ]
Algunos de los productos químicos a mayor escala se producen por oxidación catalítica, a menudo utilizando oxígeno . Los ejemplos incluyen ácido nítrico (de amoníaco), ácido sulfúrico (de dióxido de azufre a trióxido de azufre por el proceso de contacto ), ácido tereftálico de p-xileno, ácido acrílico de propileno o propano [20] [21] [22]y acrilonitrilo de propano y amoniaco
Muchos otros productos químicos se generan por reducción a gran escala, a menudo por hidrogenación . El ejemplo a mayor escala es el amoniaco , que se prepara a través del proceso Haber a partir de nitrógeno . El metanol se prepara a partir de monóxido de carbono o dióxido de carbono.
Los polímeros a granel derivados de etileno y propileno a menudo se preparan mediante catálisis Ziegler-Natta [23] . Los poliésteres, poliamidas e isocianatos se derivan mediante catálisis ácido-base .
La mayoría de los procesos de carbonilación requieren catalizadores metálicos, los ejemplos incluyen el proceso de ácido acético de Monsanto y la hidroformilación .
Productos químicos finos [ editar ]
Muchos productos químicos finos se preparan por catálisis; Los métodos incluyen los de la industria pesada, así como procesos más especializados que serían prohibitivamente costosos a gran escala. Los ejemplos incluyen la reacción de Heck , y las reacciones de Friedel-Crafts .
Como la mayoría de los compuestos bioactivos son quirales , muchos productos farmacéuticos se producen por catálisis enantioselectiva ( síntesis asimétrica catalítica ).
Procesamiento de alimentos [ editar ]
Una de las aplicaciones más obvias de la catálisis es la hidrogenación (reacción con hidrógeno gaseoso) de las grasas utilizando catalizador de níquel para producir margarina . [24] Muchos otros alimentos se preparan mediante biocatálisis (ver más abajo).
Medio ambiente [ editar ]
La catálisis impacta el medio ambiente al aumentar la eficiencia de los procesos industriales, pero la catálisis también juega un papel directo en el medio ambiente. Un ejemplo notable es el papel catalítico de los radicales libres de cloro en la descomposición del ozono . Estos radicales están formados por la acción de la radiación ultravioleta sobre los clorofluorocarbonos (CFC).
- Cl · + O 3 → ClO · + O 2
- ClO · + O · → Cl · + O 2
Historia [ editar ]
En términos generales, [25] todo lo que aumenta la velocidad de un proceso es un "catalizador", un término derivado del griego para describir reacciones aceleradas por sustancias que permanecen sin cambios después de la reacción. Fulhame , que fue anterior a Berzelius, trabajó con agua en lugar de metales en sus experimentos de reducción. Otros químicos del siglo XVIII que trabajaron en catálisis fueron Eilhard Mitscherlich [28], que se refirió a él como procesos de contacto , y Johann Wolfgang Döbereiner [29] descubrió el uso del platino en la catálisis. [31] En la década de 1880, Wilhelm Ostwald en la Universidad de Leipzig καταλύειν , que significa "anular" o "desatar" o "recoger". El concepto de catálisis fue inventado por la química Elizabeth Fulhame y descrito en un libro de 1794, basado en su novedoso trabajo en experimentos de oxidación-reducción. [26] La primera reacción química en química orgánica que utilizó un catalizador fue estudiada en 1811 por Gottlieb Kirchhoff, quien descubrió la conversión catalizada por ácido del almidón en glucosa. El término catálisis fue utilizado más tarde por Jöns Jakob Berzelius en 1835 [27] [30], que habló de la acción de contacto. Desarrolló la lámpara de Döbereiner , un encendedor a base de hidrógeno y unaesponja de platino , que se convirtió en un éxito comercial en la década de 1820 que vive en la actualidad. Humphry DavyComenzó una investigación sistemática sobre las reacciones que fueron catalizadas por la presencia de ácidos. y bases, y descubrió que las reacciones químicas se producen a tasas finitas y que estas tasas pueden utilizarse para determinar las fuerzas de ácidos y bases. Por este trabajo, Ostwald recibió el Premio Nobel de Química de 1909 . [32] Vladimir Ipatieffrealizó algunas de las primeras reacciones a escala industrial, incluido el descubrimiento y la comercialización de oligomerización y el desarrollo de catalizadores para la hidrogenación. [33]
Inhibidores, venenos y promotores [ editar ]
Las sustancias que reducen la acción de los catalizadores se denominan inhibidores del catalizador si son reversibles y venenos del catalizador si son irreversibles. Los promotores son sustancias que aumentan la actividad catalítica, a pesar de que no son catalizadores por sí mismos.
Los inhibidores a veces se denominan "catalizadores negativos" ya que disminuyen la velocidad de reacción.[34]Sin embargo, se prefiere el término inhibidor ya que no funcionan al introducir una ruta de reacción con mayor energía de activación; esto no reduciría la velocidad ya que la reacción continuaría ocurriendo por el camino no catalizado. En su lugar, actúan desactivando catalizadores o eliminando intermedios de reacción como los radicales libres. [34] [3]
El inhibidor puede modificar la selectividad además de la velocidad. Por ejemplo, en la reducción de alquinos a alquenos , se puede usar un catalizador de paladio (Pd) parcialmente "envenenado" con acetato de plomo (II)(Pb (CH 3 CO 2 ) 2 ). [35] Sin la desactivación del catalizador, el alqueno producido se reduciría aún más a alcano. [36] [37]
El inhibidor puede producir este efecto, por ejemplo, envenenando selectivamente solo ciertos tipos de sitios activos. Otro mecanismo es la modificación de la geometría de la superficie. Por ejemplo, en operaciones de hidrogenación, grandes planos de superficie metálica funcionan como sitios de catálisis de hidrogenolisis,mientras que los sitios que catalizan la hidrogenación de los insaturados son más pequeños. Por lo tanto, un veneno que cubre la superficie al azar tenderá a reducir la cantidad de planos grandes no contaminados, pero dejará proporcionalmente más sitios libres más pequeños, cambiando así la selectividad de hidrogenación frente a hidrogenolisis. Muchos otros mecanismos también son posibles.
Los promotores pueden cubrir la superficie para evitar la producción de una estera de coque, o incluso eliminar activamente dicho material (por ejemplo, renio sobre platino en plataformas ). Pueden ayudar a la dispersión del material catalítico o unirse a los reactivos.
Mercado actual [ editar ]
La demanda mundial de catalizadores en 2010 se estimó en aproximadamente US $ 29.5 mil millones. Con la rápida recuperación en las industrias automotriz y química en general, se espera que el mercado global de catalizadores experimente un rápido crecimiento en los próximos años.
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