Diferentes tipos de catalizadores

En química, un catalizador es una sustancia que acelera la velocidad de una reacción sin que se consuma en la reacción. cualquier reacción que hace uso de un catalizador se denomina catálisis . Tenga cuidado con esta distinción cuando lea material de química; un catalizador (plural "catalizadores") es una sustancia física, pero la catálisis (plural "catalizadores") es un proceso.

una descripción general de cada una de las clases de catalizadores es un punto de partida útil para aprender química analítica y comprender lo que sucede a nivel molecular cuando se mezclan sustancias y se produce una reacción. Los catalizadores y sus reacciones catalíticas asociadas vienen en tres tipos principales: catalizadores homogéneos, catalizadores heterogéneos y biocatalizadores (usualmente llamados enzimas). Los tipos de actividades de catalizadores menos comunes pero aún importantes incluyen la fotocatálisis, la catálisis ambiental y los procesos catalíticos verdes.

la mayoría de los catalizadores sólidos son metales (por ejemplo, platino o níquel) o metales cercanos (por ejemplo, silicio, boro y aluminio) unidos a elementos como el oxígeno y el azufre. es más probable que los catalizadores que están en la fase líquida o gaseosa consistan en un solo elemento, aunque pueden combinarse con solventes y otros materiales, y los catalizadores sólidos pueden diseminarse dentro de una matriz sólida o líquida conocida como soporte de catalizador.

catalizadores aceleran las reacciones mediante la reducción de la energía de activación e _una de una reacción que proceder sin catalizador, pero mucho más lentamente. tales reacciones tienen un producto o productos con una energía total más baja que la del reactivo o reactivos; Si este no fuera el caso, estas reacciones no ocurrirían sin la adición de energía externa. pero para pasar del estado de mayor energía al estado de menor energía, los productos deben "superar la joroba" primero, siendo esa "joroba" la e _a . los catalizadores en esencia suavizan los baches a lo largo del camino de reacción-energía al hacer que sea más fácil para los reactivos llegar a la "pendiente" de energía de la reacción al simplemente bajar la elevación de la "cima de la colina".

Los sistemas químicos presentan ejemplos de catalizadores positivos y negativos, y los primeros tienden a acelerar la velocidad de la reacción y los catalizadores negativos sirven para frenarlos. Ambos pueden ser ventajosos, dependiendo del resultado específico deseado.

los catalizadores llevan a cabo su trabajo mediante la unión temporal o la modificación química de uno de los reactivos y el cambio de su conformación física, o forma tridimensional, de manera que facilita la transformación del reactivo o los reactivos en uno de los productos. Imagine tener un perro que ha rodado en el lodo y necesita estar limpio antes de que pueda entrar. el barro saldría del perro por sí solo eventualmente, pero si pudiera hacer algo que empujara al perro en la dirección del aspersor del patio para que el barro saliera rápidamente de su pelaje, habría servido como un "catalizador" "Del perro sucio al perro limpio" reacción ".

la mayoría de las veces, un producto intermedio que no se muestra en ningún resumen ordinario de la reacción se forma a partir de un reactivo y el catalizador, y cuando este complejo se transforma en uno o más productos finales, el catalizador se regenera como si nada hubiera sucedido a ninguno de en absoluto. Como verá en breve, este proceso puede llevarse a cabo de varias maneras.

una reacción se considera catalizada homogéneamente cuando el catalizador y el (los) reactivo (s) están en el mismo estado físico o fase. esto ocurre más a menudo con los pares de reactivos de catalizador gaseosos. los tipos de catalizadores homogéneos incluyen ácidos orgánicos en los cuales el átomo de hidrógeno donado se reemplaza por un metal, varios compuestos que mezclan carbono y elementos metálicos en alguna forma, y ​​compuestos carbonílicos unidos a cobalto o hierro.

Un ejemplo de este tipo de catálisis que involucra líquidos es la conversión de los iones persulfato y yoduro en ion sulfato y yodo:

s ₂ o ₈ ^2- + 2 i ^- → 2 entonces ₄ ^2- + i ₂

esta reacción tendría un momento difícil de proceder por sí sola a pesar de las energéticas favorables, ya que ambos reactantes tienen carga negativa y, por lo tanto, sus cualidades electrostáticas están en oposición a sus cualidades químicas. pero si los iones de hierro, que tienen una carga positiva, se agregan a la mezcla, la plancha "distrae" las cargas negativas y la reacción avanza rápidamente.

Una catálisis gaseosa homogénea que se produce de manera natural es la conversión de oxígeno gas, o o ₂ , en la atmósfera a ozono, o o ₃ , donde los radicales de oxígeno (o ^- ) son intermedios. Aquí, la luz ultravioleta del sol es el verdadero catalizador, pero cada compuesto físico presente se encuentra en el mismo estado (gas).

una reacción se considera catalizada de forma heterogénea cuando el catalizador y el reactante (s) están en diferentes fases, y la reacción ocurre en la interfaz entre ellos (más comúnmente, el "borde" gas-sólido). Algunos de los catalizadores heterogéneos más comunes incluyen sólidos inorgánicos, es decir, sólidos que no contienen carbono, como metales elementales, sulfuros y sales metálicas, así como una gran cantidad de sustancias orgánicas, entre ellas hidroperóxidos e intercambiadores de iones.

Las zeolitas son una clase importante de catalizadores heterogéneos. estos son sólidos cristalinos formados por unidades repetidas de sio ₄ . Unidades de cuatro de estas moléculas unidas se unen para formar diferentes estructuras de anillos y jaulas. la presencia de un átomo de aluminio en el cristal crea un desequilibrio de carga, que es compensado por un protón (es decir, un ion de hidrógeno).

Las enzimas son proteínas que funcionan como catalizadores en sistemas vivos. estas enzimas tienen componentes llamados sitios de unión al sustrato, o sitios activos, donde las moléculas involucradas en la reacción bajo catálisis se unen. las partes componentes de todas las proteínas son aminoácidos, y cada uno de estos ácidos individuales tiene una distribución de carga desigual de un extremo al otro. Esta propiedad es la principal razón por la cual las enzimas poseen capacidades catalíticas.

el sitio activo de la enzima encaja junto con la parte correcta del sustrato (reactivo), como una llave que entra en una cerradura. tenga en cuenta que los catalizadores descritos anteriormente a menudo catalizan una serie de reacciones disímiles y, por lo tanto, no poseen el grado de especificidad química que poseen las enzimas.

en general, cuando están presentes más sustrato y más enzima, la reacción procederá más rápidamente. pero si se agrega más y más sustrato sin agregar también más enzima, todos los sitios de unión enzimáticos se saturan, y la reacción ha alcanzado su velocidad máxima para esa concentración de enzima. cada reacción catalizada por una enzima puede representarse en términos de los productos intermedios formados debido a la presencia de la enzima. Es decir, en lugar de escribir:

s → p

para mostrar un sustrato que se está transformando en un producto, puede representarlo como:

e + s → es → e + p

en el que el término medio es el complejo de enzima-sustrato (s).

Las enzimas, aunque se clasifican como categorías de catalizadores distintas de las enumeradas anteriormente, pueden ser homogéneas o heterogéneas.

las enzimas funcionan de manera óptima dentro de un rango de temperatura estrecho, lo cual tiene sentido dado que la temperatura de su cuerpo no fluctúa más de unos pocos grados en condiciones normales. el calor extremo destruye muchas enzimas y hace que pierdan su forma tridimensional específica, un proceso llamado desnaturalización que se aplica a todas las proteínas.