La velocidad de las reacciones químicas depende de varios factores, incluida la temperatura o la concentración de los reactivos. Resulta que una pequeña adición de una sustancia extraña puede afectar la cinética de la reacción y, por tanto, acelerarla considerablemente. Este tema es objeto de catálisis. Actualmente es de gran importancia, especialmente en la industria química. Muchos procesos tecnológicos a gran escala serían imposibles sin catalizadores. Además, las enzimas, que catalizan los procesos bioquímicos, desempeñan un papel clave en los procesos de la vida en la Tierra.
Catálisis: ¿qué es y cómo se clasifica?
La catálisis se define como el fenómeno de aumentar la velocidad de una reacción química mediante el uso de una sustancia que no es ni sustrato ni producto de esa transformación. Esta sustancia se llama catalizador. Los tipos básicos de catálisis son los siguientes:
- Catálisis homogénea : en este tipo de catálisis tanto los sustratos como el catalizador se encuentran en el mismo estado físico. La mayoría de las veces es una fase líquida o gaseosa. En este caso, el catalizador reacciona con uno de los sustratos, formando un complejo intermedio inestable, que a su vez reacciona con el otro reactivo. Como resultado, se forman productos de reacción y se recupera el catalizador. Cabe señalar que no todas las reacciones proceden de esta manera. De hecho, los procesos de varias etapas son los más comunes. Un ejemplo de reacción homogénea (o monofásica) es la oxidación de óxido de azufre (IV) a óxido de azufre (VI). Todos los componentes, es decir, los sustratos, el catalizador y los productos, están presentes en la fase gaseosa.
- Catálisis heterogénea : este es el tipo de catálisis más comúnmente utilizado, por ejemplo, en procesos de la industria química . Aquí, el catalizador se encuentra en un estado físico diferente al de los otros reactivos. Generalmente se trata de un sólido o llamado "contacto". Los sustratos se adsorben en su superficie. Luego, el catalizador reacciona con ellos. Los productos resultantes se desorben y abandonan la superficie de contacto, dejando espacio para los siguientes sustratos. El uso de este tipo de catálisis permite realizar, por ejemplo, reacciones entre sustancias gaseosas que normalmente no reaccionan entre sí. Dado que la catálisis heterogénea es muy importante desde el punto de vista industrial, uno de los principales temas de la catálisis es el desarrollo de catalizadores fabricados con diferentes materiales y con formas que proporcionen la mayor superficie de contacto posible.
- Catálisis enzimática : las enzimas son, además de los fermentos, un grupo de proteínas que participan en la biocatálisis de las reacciones de biosíntesis y descomposición. Estos procesos tienen lugar en las células de los organismos vivos y en los fluidos corporales. Las enzimas, al igual que los catalizadores "clásicos", reducen la energía de activación de una reacción biológica. En su superficie tienen los llamados centros activos. Por su forma y estructura, estos centros son compatibles únicamente con sustratos específicos. Por tanto, la selectividad de las enzimas como catalizadores es del 100%. Además, dicha catálisis se denomina modelo de llave y cerradura. Después de la formación del complejo enzima-sustrato, algunos de los enlaces se aflojan y se forman los productos. Luego la enzima se libera y vuelve a su forma original.
La autocatálisis es un fenómeno interesante. Ocurre cuando el producto resultante de una reacción se convierte en su catalizador. Por lo tanto, con el tiempo, la reacción avanza cada vez más rápido. Un ejemplo de proceso autocatalítico es la reacción de KMnO 4 con peróxido de hidrógeno en un ambiente ácido. Los iones que se forman (es decir, Mn 2+ ) actúan como catalizadores de la reacción original.
catalizadores
Los catalizadores son sustancias químicas que, cuando se introducen en un sistema de reacción, aceleran la reacción química. Lo que es importante, no sufren transformaciones químicas durante la reacción y se recuperan en su forma original una vez completada la reacción. El catalizador agregado al sistema de reacción forma un enlace transitorio inestable con el sustrato. Esto permite reducir la energía de activación. Lo que es importante es que el catalizador no está incluido en la ecuación estequiométrica del proceso global. Además, incluso con un catalizador, no es posible iniciar una reacción que no sea termodinámicamente factible. Para que una determinada reacción química se produzca en determinadas condiciones, es necesario proporcionar energía mayor que la energía de activación requerida. En este caso, la función del catalizador es reducir la cantidad de energía necesaria para que la reacción pueda comenzar más rápidamente. Vale la pena recordar que el catalizador no afecta el cambio del estado de equilibrio. Simplemente acelera el momento de su consecución. Cuanto más rápido lo haga, más activo se considerará. Por tanto, la actividad del catalizador se define como la diferencia en la velocidad a la que la reacción alcanza el equilibrio en presencia y ausencia del catalizador. Otro criterio que caracteriza a los catalizadores es su selectividad. Se define como la relación entre la cantidad de producto formado y la cantidad total de todos los productos formados durante la reacción. Las sustancias utilizadas como catalizadores en procesos industriales suelen alcanzar una selectividad del 70%al 90%. En este sentido, las enzimas son únicas. El nivel de selectividad que alcanzan en reacciones bioquímicas llega hasta el 100%. 
La importancia de la catálisis en los procesos industriales
Actualmente, la catálisis juega un papel clave en muchos procesos, especialmente en la industria química. Los catalizadores contribuyen a una producción más eficiente de productos químicos, que a su vez se utilizan, por ejemplo, en la producción de fertilizantes. A continuación se presentan tres ejemplos de procesos de la industria química que dependen de la catálisis. Estos catalizadores se encuentran entre los más utilizados. Sin embargo, hay que recordar que constantemente se introducen en el mercado soluciones nuevas o modificadas que consiguen sustituir progresivamente sustancias utilizadas anteriormente.
Producción de ácido nítrico (V)
La producción de ácido nítrico (V) consta de varias etapas sucesivas. En primer lugar, está la combustión del amoníaco en oxígeno hasta óxido nítrico (II) y agua. Para aumentar la eficiencia del proceso, se lleva a cabo utilizando un catalizador, que es una aleación de platino y rodio (93%Pt y 7%Rh). Esta aleación se utiliza para producir alambres con los que se tejen mallas especiales. En el reactor se colocan dos o tres mallas, perpendicularmente al flujo de los gases reaccionantes. Sin embargo, este método tiene algunas limitaciones. Los gases en movimiento provocan fricción contra las mallas, provocando su degradación y pérdida de platino. Estas pérdidas son particularmente notables en la sección de oxidación, donde hay mayor presión y alta temperatura. Además, las mallas de platino son relativamente sensibles al envenenamiento causado por una purificación insuficiente de los gases reactivos de sustancias perturbadoras, por ejemplo, azufre. Durante la oxidación catalítica del amoníaco, se forma óxido nitroso como subproducto. Actualmente, las soluciones que reducen sus emisiones están disponibles en el mercado. Para ello, se utiliza un catalizador de óxido a base de aluminatos cerca de las mallas de aleación de Pt-Rh para la descomposición a alta temperatura del óxido nitroso en gases nitrosos. Un rasgo característico de este catalizador es su alta selectividad de descomposición en relación al N 2 O.
Oxidación de SO 2 a SO 3
Uno de los pasos más importantes en la producción industrial de ácido sulfúrico (VI) es la oxidación del óxido de azufre (IV) a óxido de azufre (VI). Este proceso se realiza mediante el método de contacto. Muchas sustancias pueden actuar como catalizadores en esta reacción de oxidación. Aceleran las reacciones en diversos grados. Se ha demostrado experimentalmente que la mayor eficiencia se logra utilizando catalizadores de vanadio. Consisten en óxido de vanadio (V), que se deposita sobre un soporte (normalmente sílice). Además, también contiene activadores (óxido de sodio u óxido de potasio) y otros aditivos que afectan, entre otras cosas, a su resistencia a altas temperaturas. La cantidad de óxido de vanadio (V) en el catalizador oscila entre el 5 y el 7%en peso. Alcanza su mayor eficiencia a temperaturas relativamente altas. En su superficie, el catalizador de vanadio tiene sitios activos donde se adsorben las moléculas de O 2 y SO 2 . Allí tienen lugar sus reacciones y luego la desorción de los productos resultantes. Una pureza insuficiente de los sustratos introducidos en el reactor puede provocar un envenenamiento del catalizador, es decir, la desactivación de sus sitios activos. En este caso, los venenos incluyen cloro, flúor y arsénico.
producción de amoníaco
Otro proceso catalítico en la industria química es la síntesis de amoniaco . El proceso en sí es tan lento que es necesario utilizar contactos adecuados. En este caso, el catalizador más favorable es el hierro activado con una pequeña cantidad de alúmina y óxido de potasio. Se forma quemando hierro en presencia de oxígeno y luego fundiendo el Fe 3 O 4 resultante con Al 2 O 3 y K 2 O. La aleación (con mayor frecuencia) en forma de gránulos es un catalizador terminado. Como en otros procesos, durante el proceso de síntesis de amoniaco el catalizador de hierro provoca la absorción de hidrógeno y nitrógeno en sus sitios activos y la desorción de los productos resultantes. Los compuestos responsables de la degradación del contacto del hierro son principalmente azufre, dióxido de carbono y vapor de agua.
