Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Catálisis

Una gama de catalizadores industriales en forma de gránulos. Un filtro de aire que utiliza un catalizador de oxidación a baja temperatura para convertir el monóxido de carbono e...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

Una gama de catalizadores industriales en forma de gránulos.
Un filtro de aire que utiliza un catalizador de oxidación a baja temperatura para convertir el monóxido de carbono en dióxido de carbono , menos tóxico, a temperatura ambiente. También puede eliminar el formaldehído del aire.

La catálisis ( / k ə ˈ t æ l ɪ s ɪ s / , kə- TAL -iss-iss ) es el aumento de la velocidad de una reacción química debido a una sustancia añadida conocida como catalizador [ 1 ] [ 2 ] ( / ˈ k æ t əl ɪ s t / KAT -əl-ist ). Los catalizadores no se consumen en la reacción y permanecen inalterados después de la misma. [ 3 ] Si la reacción es rápida y el catalizador se recicla rápidamente, una cantidad muy pequeña de catalizador suele ser suficiente; [ 4 ] la mezcla, el área superficial y la temperatura son factores importantes en la velocidad de reacción. Los catalizadores generalmente reaccionan con uno o más reactivos para formar intermedios que posteriormente dan el producto final de la reacción, en el proceso de regeneración del catalizador.

El aumento de la velocidad se produce porque el catalizador permite que la reacción tenga lugar mediante un mecanismo alternativo que puede ser mucho más rápido que el mecanismo no catalizado. Sin embargo, el mecanismo no catalizado sigue siendo posible, por lo que la velocidad total (catalizada más no catalizada) solo puede aumentar en presencia del catalizador y nunca disminuir. [ 5 ]

La catálisis puede clasificarse como homogénea , cuyos componentes se encuentran dispersos en la misma fase (generalmente gaseosa o líquida) que el reactivo, o heterogénea , cuyos componentes no se encuentran en la misma fase. Las enzimas y otros biocatalizadores suelen considerarse una tercera categoría. Además, un nanocatalizador es un catalizador de tamaño nanométrico utilizado en el campo de la nanociencia aplicada .

La catálisis es casi omnipresente en la industria química . [ 6 ] Se estima que el 90% de todos los productos químicos producidos comercialmente involucran catalizadores en alguna etapa del proceso de su fabricación. [ 7 ]

El término «catalizador» deriva del griego καταλύειν , kataluein , que significa «aflojar» o «desatar». El concepto de catálisis fue inventado por la química Elizabeth Fulhame , basándose en su novedoso trabajo en experimentos de oxidación-reducción. [ 8 ] [ 9 ]

Principios generales

Ejemplo

Un ejemplo ilustrativo es el efecto de los catalizadores para acelerar la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno :

2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2

Esta reacción se produce porque los productos de la reacción son más estables que el compuesto inicial, pero esta descomposición es tan lenta que existen soluciones de peróxido de hidrógeno disponibles comercialmente. En presencia de un catalizador como el dióxido de manganeso , esta reacción se produce mucho más rápidamente. Este efecto se observa fácilmente por la efervescencia del oxígeno. [ 10 ] El catalizador no se consume en la reacción y puede recuperarse sin cambios y reutilizarse indefinidamente. Por consiguiente, se dice que el dióxido de manganeso cataliza esta reacción. En los organismos vivos, esta reacción es catalizada por enzimas (proteínas que actúan como catalizadores) como la catalasa .

Otro ejemplo es el efecto de los catalizadores en la contaminación atmosférica y la reducción de la cantidad de monóxido de carbono. El desarrollo de catalizadores activos y selectivos para la conversión de monóxido de carbono en productos deseables es una de las funciones más importantes de los catalizadores. El uso de catalizadores para la hidrogenación del monóxido de carbono ayuda a eliminar este gas tóxico y a producir materiales útiles. [ 11 ]

Unidades

La unidad derivada del SI para medir la actividad catalítica de un catalizador es el katal , que se cuantifica en moles por segundo. La productividad de un catalizador se puede describir mediante el número de recambio (TON) y la actividad catalítica mediante la frecuencia de recambio (TOF), que es el 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 .

Mecanismos de reacción catalítica

En general, las reacciones químicas ocurren más rápido en presencia de un catalizador porque este proporciona un mecanismo de reacción alternativo (ruta de reacción) con una energía de activación menor que el mecanismo no catalizado. En los mecanismos catalizados, el catalizador se regenera. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

Como ejemplo sencillo que ocurre en fase gaseosa, la reacción 2 SO 2 + O 2 → 2 SO 3 puede ser catalizada mediante la adición de óxido nítrico . La reacción se produce en dos etapas:

2 NO + O 2 → 2 NO 2 (etapa determinante de la velocidad)
NO 2 + SO 2 → NO + SO 3 (rápido)

El catalizador de NO se regenera. La velocidad global es la velocidad de la etapa lenta [ 15 ].

v=2k 1 [NO] 2 [O 2 ].

Un ejemplo de catálisis heterogénea es la reacción de oxígeno e hidrógeno en la superficie del dióxido de titanio (TiO₂ o titania ) para producir agua. La microscopía de efecto túnel mostró que las moléculas experimentan adsorción y disociación . Los átomos de O y H disociados, unidos a la superficie, se difunden juntos . Los estados intermedios de la reacción son: HO₂ , H₂O₂ , luego H₃O₂ y el producto de la reacción ( dímeros de moléculas de agua ) , después de lo cual la molécula de agua se desorbe de la superficie del catalizador. [ 16 ] [ 17 ]

energética de la reacción

Diagrama genérico de energía potencial que muestra el efecto de un catalizador en una hipotética reacción química exotérmica X + Y para dar Z. La presencia del catalizador abre una vía de reacción diferente (mostrada en rojo) con menor energía de activación. El resultado final y la termodinámica general son los mismos.

Los catalizadores permiten vías de reacción distintas a las de las reacciones no catalizadas. Estas vías presentan una menor energía de activación . En consecuencia, un mayor número de colisiones moleculares poseen la energía necesaria para alcanzar el estado de transición . Por lo tanto, los catalizadores pueden posibilitar reacciones que, de otro modo, se verían bloqueadas o ralentizadas por una barrera cinética. El catalizador puede aumentar la velocidad o la selectividad de la reacción, o permitir que esta se produzca a temperaturas más bajas. Este efecto puede ilustrarse mediante un diagrama de perfil energético .

En la reacción elemental catalizada , los catalizadores no modifican la extensión de la reacción: no afectan el equilibrio químico . La relación entre las velocidades de reacción directa e inversa permanece inalterada (véase también termodinámica ). La segunda ley de la termodinámica explica por qué un catalizador no altera el equilibrio químico de una reacción. Supongamos que existiera un catalizador que desplazara el equilibrio. Al introducir el catalizador en el sistema, la reacción se desplazaría hacia el nuevo equilibrio, generando energía. La generación de energía es un resultado necesario, ya que las reacciones son espontáneas solo si se produce energía libre de Gibbs , y si no existe barrera energética, no se requiere un catalizador. Por lo tanto, la eliminación del catalizador también daría lugar a una reacción, generando energía; es decir, tanto la adición como su proceso inverso, la eliminación, producirían energía. Así, un catalizador que pudiera modificar el equilibrio sería una máquina de movimiento perpetuo , lo cual contradice las leyes de la termodinámica. [ 18 ] En consecuencia, los catalizadores no alteran la constante de equilibrio. (Sin embargo, un catalizador puede modificar las concentraciones de equilibrio al reaccionar en una etapa posterior. En ese caso, se consume a medida que avanza la reacción y, por lo tanto, también actúa como reactivo. Un ejemplo ilustrativo es la hidrólisis de ésteres catalizada por bases , donde el ácido carboxílico producido reacciona inmediatamente con el catalizador básico, desplazando así el equilibrio de la reacción hacia la hidrólisis).

El catalizador estabiliza el estado de transición más que el material de partida. Disminuye la barrera cinética al reducir la diferencia de energía entre el material de partida y el estado de transición. No altera la diferencia de energía entre los materiales de partida y los productos (barrera termodinámica) ni la energía disponible (que proviene del entorno en forma de calor o luz).

Algunos de los llamados catalizadores son en realidad precatalizadores , que se convierten en catalizadores durante la reacción. Por ejemplo, el catalizador de Wilkinson, RhCl(PPh₃ ) ₃ , pierde un ligando de trifenilfosfina antes de entrar en el ciclo catalítico propiamente dicho. Los precatalizadores son más fáciles de almacenar, pero se activan fácilmente in situ . Debido a esta etapa de preactivación, muchas reacciones catalíticas implican un período de inducción .

En la catálisis cooperativa , las especies químicas que mejoran la actividad catalítica se denominan cocatalizadores o promotores .

En la catálisis en tándem, dos o más catalizadores diferentes se acoplan en una reacción en un solo recipiente.

En la autocatálisis , el catalizador es un producto de la reacción global, a diferencia de todos los demás tipos de catálisis considerados en este artículo. El ejemplo más simple de autocatálisis es una reacción del tipo A + B → 2 B, en una o varias etapas. La reacción global es simplemente A → B, por lo que B es un producto. Pero como B también es un reactivo, puede estar presente en la ecuación de velocidad y afectar la velocidad de reacción. A medida que la reacción avanza, la concentración de B aumenta y puede acelerar la reacción como catalizador. En efecto, la reacción se acelera a sí misma o se autocataliza. Un ejemplo es la hidrólisis de un éster como la aspirina en un ácido carboxílico y un alcohol . En ausencia de catalizadores ácidos añadidos, el producto ácido carboxílico cataliza la hidrólisis.

La catálisis conmutable se refiere a un tipo de catálisis en la que el catalizador puede alternarse entre diferentes estados fundamentales con reactividad distinta, generalmente mediante la aplicación de un estímulo externo. [ 19 ] Esta capacidad de conmutar reversiblemente el catalizador permite un control espaciotemporal sobre la actividad y selectividad catalíticas. Los estímulos externos utilizados para conmutar el catalizador pueden incluir cambios de temperatura, pH, luz, [ 20 ] campos eléctricos o la adición de agentes químicos.

Un catalizador verdadero puede funcionar en conjunto con un catalizador de sacrificio . El catalizador verdadero se consume en la reacción elemental y se convierte en una forma desactivada. El catalizador de sacrificio regenera el catalizador verdadero para otro ciclo. El catalizador de sacrificio se consume en la reacción y, como tal, no es realmente un catalizador, sino un reactivo. Por ejemplo, el tetróxido de osmio (OsO₄ ) es un buen reactivo para la dihidroxilación, pero es altamente tóxico y costoso. En la dihidroxilación de Upjohn , el catalizador de sacrificio N-metilmorfolina N-óxido (NMMO) regenera el OsO₄ , y solo se necesitan cantidades catalíticas de OsO₄ .

Clasificación

La catálisis puede clasificarse como homogénea o heterogénea . La catálisis homogénea se da cuando los componentes se encuentran dispersos en la misma fase (generalmente gaseosa o líquida) que las moléculas del reactivo . La catálisis heterogénea se da cuando los componentes de la reacción no se encuentran en la misma fase. Las enzimas y otros biocatalizadores suelen considerarse una tercera categoría. Principios mecanísticos similares se aplican a la catálisis heterogénea, homogénea y a la biocatálisis.

Catálisis heterogénea

La estructura molecular microporosa de la zeolita ZSM-5 se aprovecha en los catalizadores utilizados en refinerías.
Las zeolitas se extruyen en forma de gránulos para facilitar su manipulación en reactores catalíticos.

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 . Entre los catalizadores heterogéneos importantes se incluyen las zeolitas , la alúmina , [ 21 ] los óxidos de orden superior, el carbono grafítico, los óxidos de metales de transición , metales como el níquel Raney para la hidrogenación y el óxido de vanadio(V) para la oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre mediante el proceso de contacto . [ 22 ]

Se conocen diversos mecanismos de reacción en superficies , dependiendo de cómo se produzca la adsorción ( Langmuir-Hinshelwood , Eley-Rideal y Mars -van Krevelen ). [ 23 ] El área superficial total de un sólido tiene un efecto importante en la velocidad de reacción. Cuanto menor sea el tamaño de partícula del catalizador, mayor será el área superficial para una masa dada de partículas.

Un catalizador heterogéneo posee sitios activos , que son los átomos o caras cristalinas donde se une el sustrato. Si bien los sitios activos son átomos, a menudo se describen como una faceta (arista, superficie, escalón, etc.) de un sólido. La mayor parte del volumen, e incluso la mayor parte de la superficie de un catalizador heterogéneo, puede ser catalíticamente inactiva. Determinar la naturaleza del sitio activo representa un desafío técnico.

Por ejemplo, el catalizador para el proceso Haber para la síntesis de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno se describe a menudo como hierro . Pero estudios detallados y muchas optimizaciones han llevado a catalizadores que son mezclas de óxido de hierro-potasio-calcio-aluminio. [ 24 ] Los gases reactivos se adsorben en sitios activos en las partículas de hierro. Una vez adsorbidos físicamente, los reactivos se disocian parcial o totalmente y forman nuevos enlaces. De esta manera se rompe el enlace triple particularmente fuerte en el nitrógeno, lo que sería extremadamente raro en la fase gaseosa debido a su alta energía de activación. Así, la energía de activación de la reacción global se reduce y la velocidad de reacción aumenta. [ 25 ] Otro lugar donde se aplica un catalizador heterogéneo es en la oxidación de dióxido de azufre sobre óxido de vanadio(V) para la producción de ácido sulfúrico . [ 22 ] Muchos catalizadores heterogéneos son de hecho nanomateriales.

Los catalizadores heterogéneos suelen estar soportados , lo que significa que el catalizador se dispersa sobre un segundo material que mejora su eficacia o minimiza su coste. Los soportes previenen o minimizan la aglomeración y la sinterización de las pequeñas partículas de catalizador, exponiendo una mayor superficie, por lo que los catalizadores presentan una mayor actividad específica (por gramo) sobre el soporte. En ocasiones, el soporte es simplemente una superficie sobre la que se extiende el catalizador para aumentar su área superficial. Con mayor frecuencia, el soporte y el catalizador interactúan, afectando a la reacción catalítica. Los soportes también pueden utilizarse en la síntesis de nanopartículas, proporcionando sitios para que las moléculas individuales del catalizador se unan químicamente. Los soportes son materiales porosos con una gran superficie, generalmente alúmina , zeolitas o diversos tipos de carbón activado . Entre los soportes especializados se incluyen el dióxido de silicio , el dióxido de titanio , el carbonato de calcio y el sulfato de bario . [ 26 ]

Electrocatalizadores

En el ámbito de la electroquímica , específicamente en la ingeniería de pilas de combustible , se utilizan diversos catalizadores que contienen metales para aumentar la velocidad de las semirreacciones que componen la pila. Un tipo común de electrocatalizador para pilas de combustible se basa en nanopartículas de platino soportadas sobre partículas de carbono ligeramente más grandes . Al entrar en contacto con uno de los electrodos de la pila, este platino incrementa la velocidad de reducción del oxígeno a agua, hidróxido o peróxido de hidrógeno .

Catálisis homogénea

Los catalizadores homogéneos funcionan en la misma fase que los reactivos. Normalmente, 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 . [ 27 ] Los procesos de alto volumen que requieren un catalizador homogéneo incluyen la hidroformilación , la hidrosililación y la hidrocianación . Para los químicos inorgánicos, la catálisis homogénea suele ser sinónimo de catalizadores organometálicos . [ 28 ] Sin embargo, muchos catalizadores homogéneos no son organometálicos, como lo ilustra el uso de sales de cobalto que catalizan la oxidación de p-xileno a ácido tereftálico .

Organocatálisis

Si bien los metales de transición suelen acaparar la mayor parte de la atención en el estudio de la catálisis, las moléculas orgánicas pequeñas sin metales también pueden presentar propiedades catalíticas, como lo demuestra el hecho de que muchas enzimas carecen de metales de transición. Por lo general, los catalizadores orgánicos requieren una mayor concentración (cantidad de catalizador por unidad de reactivo, expresada en % molar ) que los catalizadores basados ​​en metales (o iones) de transición, pero estos catalizadores suelen estar disponibles comercialmente a granel, lo que contribuye a reducir los costos. A principios de la década de 2000, estos organocatalizadores se consideraban de "nueva generación" y competían con los catalizadores tradicionales que contenían metales (o iones).

Se supone que los organocatalizadores funcionan de manera similar a las enzimas sin metales, utilizando, por ejemplo, interacciones no covalentes como los enlaces de hidrógeno . La disciplina de la organocatálisis se divide en la aplicación de organocatalizadores covalentes (p. ej., prolina , DMAP ) y no covalentes (p. ej., organocatálisis con tiourea ), en referencia a la unión e interacción preferidas entre el catalizador y el sustrato , respectivamente. El Premio Nobel de Química 2021 fue otorgado conjuntamente a Benjamin List y David WC MacMillan "por el desarrollo de la organocatálisis asimétrica". [ 29 ]

Fotocatalizadores

La fotocatálisis es el fenómeno por el cual el catalizador puede recibir luz para generar un estado excitado que produce reacciones redox. [ 30 ] El oxígeno singlete se produce generalmente por fotocatálisis. Los fotocatalizadores son componentes de las células solares sensibilizadas por colorantes . La nanofotocatálisis es la especialización de la fotocatálisis a nanoescala .

Enzimas y biocatalizadores

En biología, las enzimas son catalizadores basados ​​en proteínas que intervienen 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, como las ribozimas y las desoxirribozimas sintéticas . [ 31 ]

Los biocatalizadores pueden considerarse un punto intermedio entre los catalizadores homogéneos y heterogéneos, aunque, estrictamente hablando, las enzimas solubles son catalizadores homogéneos y las enzimas unidas a membranas son heterogéneas. Diversos factores afectan la actividad de las enzimas (y otros catalizadores), como la temperatura, el pH, la concentración de enzimas, el sustrato y los 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 , se emplean enzimas para preparar muchos productos químicos básicos, 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. [ 32 ] A estos anticuerpos catalíticos a veces se les llama " abzimas ".

Significado

Izquierda: Cubo de azúcar parcialmente caramelizado , Derecha: Cubo de azúcar ardiendo con ceniza como catalizador
Un tubo de Ti-Cr-Pt (~40 μm de longitud) libera burbujas de oxígeno cuando se sumerge en peróxido de hidrógeno (mediante descomposición catalítica), formando una microbomba . [ 33 ]

Se estima que el 90 % de todos los productos químicos producidos comercialmente involucran catalizadores en alguna etapa de su proceso de fabricación. En 2005, los procesos catalíticos generaron alrededor de 900 mil millones de dólares en productos a nivel mundial. [ 34 ] La catálisis es tan omnipresente que no es fácil clasificar sus subáreas. A continuación, se analizan algunas áreas de especial concentración.

Procesamiento de energía

El refinado de petróleo utiliza intensivamente la catálisis para la alquilación , el craqueo catalítico (que descompone los hidrocarburos de cadena larga en fragmentos más pequeños), el reformado de nafta y el reformado con vapor (que convierte los hidrocarburos en gas de síntesis ). Incluso los gases de escape de la combustión de combustibles fósiles se tratan mediante catálisis: los convertidores catalíticos , generalmente compuestos de platino y rodio , descomponen algunos de los subproductos más dañinos de los gases de escape de los automóviles.

2 CO + 2 NO → 2 CO 2 + N 2

En lo que respecta a los combustibles sintéticos, un proceso antiguo pero aún importante es la síntesis de Fischer-Tropsch de hidrocarburos a partir de gas de síntesis , que a su vez se procesa mediante reacciones de desplazamiento de gas de agua , catalizadas por hierro. La reacción de Sabatier produce metano a partir de dióxido de carbono e hidrógeno. El biodiésel y los biocombustibles relacionados requieren procesamiento mediante catalizadores tanto inorgánicos como biológicos.

Las pilas de combustible dependen de catalizadores tanto para las reacciones anódicas como catódicas.

Los calentadores catalíticos generan calor sin llama a partir de un suministro de combustible.

Productos químicos a granel

Catalizador típico de pentóxido de vanadio utilizado en la producción de ácido sulfúrico para una reacción intermedia que convierte el dióxido de azufre en trióxido de azufre.
Catalizador típico de pentóxido de vanadio utilizado en la producción de ácido sulfúrico para una reacción intermedia que convierte el dióxido de azufre en trióxido de azufre.

Algunos de los productos químicos a mayor escala se producen mediante oxidación catalítica, a menudo utilizando oxígeno . Algunos ejemplos son el ácido nítrico (a partir de amoníaco), el ácido sulfúrico (a partir de dióxido de azufre a trióxido de azufre mediante el proceso de contacto ), el ácido tereftálico a partir de p-xileno, el ácido acrílico a partir de propileno o propano y el acrilonitrilo a partir de propano y amoníaco. [ 23 ]

La producción de amoníaco es uno de los procesos a mayor escala y que consume más energía. En el proceso Haber, el nitrógeno se combina con hidrógeno sobre un catalizador de óxido de hierro. [ 35 ] El metanol se prepara a partir de monóxido de carbono o dióxido de carbono, pero utilizando catalizadores de cobre-zinc.

Los polímeros a granel derivados del etileno y el propileno se preparan a menudo utilizando el catalizador Ziegler-Natta . Los poliésteres, las poliamidas y los isocianatos se obtienen mediante catálisis ácido-base .

La mayoría de los procesos de carbonilación requieren catalizadores metálicos; algunos ejemplos son el proceso de ácido acético de Monsanto y la hidroformilación .

Productos químicos finos

Muchos productos químicos finos se preparan mediante catálisis; los métodos incluyen los de la industria pesada, así como procesos más especializados que serían prohibitivamente caros a gran escala. Ejemplos de ello son la reacción de Heck y las reacciones de Friedel-Crafts . Dado que la mayoría de los compuestos bioactivos son quirales , muchos fármacos se producen mediante catálisis enantioselectiva ( síntesis asimétrica catalítica ). El (R)-1,2-propanodiol, precursor del antibacteriano levofloxacino , puede sintetizarse eficientemente a partir de hidroxiacetona utilizando catalizadores basados ​​en complejos de rutenio BINAP , en la hidrogenación asimétrica de Noyori : [ 36 ]

síntesis de levofloxacino
síntesis de levofloxacino

Procesamiento de alimentos

Una de las aplicaciones más evidentes de la catálisis es la hidrogenación (reacción con hidrógeno gaseoso) de grasas utilizando un catalizador de níquel para producir margarina . [ 37 ] Muchos otros alimentos se preparan mediante biocatálisis (véase más abajo).

Ambiente

La catálisis afecta al medio ambiente al aumentar la eficiencia de los procesos industriales, pero también desempeña un papel directo en él. Un ejemplo notable es el papel catalítico de los radicales libres de cloro en la descomposición del ozono . Estos radicales se forman por la acción de la radiación ultravioleta sobre los clorofluorocarbonos (CFC).

Cl · + O 3 → ClO · + O 2
ClO · + O · → Cl · + O 2

Historia

El término «catalizador», definido ampliamente como cualquier cosa que aumenta la velocidad de un proceso, deriva del griego καταλύειν , que significa «anular», «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 sobre reacciones de oxidación-reducción. [ 8 ] [ 9 ] [ 38 ] La primera reacción química en química orgánica que utilizó conscientemente un catalizador fue estudiada en 1811 por Gottlieb Kirchhoff , quien descubrió la conversión de almidón a glucosa catalizada por ácido. El término catálisis fue utilizado posteriormente por Jöns Jakob Berzelius en 1835 [ 39 ] para describir reacciones que son aceleradas por sustancias que permanecen inalteradas después de la reacción. Fulhame , quien precedió 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 [ 40 ], quien se refirió a ella como procesos de contacto , y Johann Wolfgang Döbereiner [ 41 ] [ 42 ], quien habló de acción de contacto. Desarrolló la lámpara de Döbereiner , un encendedor basado en hidrógeno y una esponja de platino , que se convirtió en un éxito comercial en la década de 1820 y que perdura hasta hoy. Humphry Davy descubrió el uso del platino en catálisis. [ 43 ] En la década de 1880, Wilhelm Ostwald , de la Universidad de Leipzig, inició una investigación sistemática sobre las reacciones catalizadas por la presencia de ácidos y bases, y descubrió que las reacciones químicas ocurren a velocidades finitas y que estas velocidades pueden usarse para determinar la fuerza de los ácidos y las bases. Por este trabajo, Ostwald recibió el Premio Nobel de Química de 1909 . [ 44 ] Vladimir Ipatieff realizó algunas de las primeras reacciones a escala industrial, incluyendo el descubrimiento y la comercialización de la oligomerización y el desarrollo de catalizadores para la hidrogenación. [ 45 ]

Inhibidores, venenos y promotores

Una sustancia añadida que disminuye la velocidad se denomina inhibidor de la reacción si es reversible y veneno del catalizador si es irreversible. [ 1 ] Los promotores son sustancias que aumentan la actividad catalítica, aunque no sean catalizadores por sí mismos. [ 46 ]

A veces se hace referencia a los inhibidores como "catalizadores negativos" ya que disminuyen la velocidad de reacción. [ 47 ] Sin embargo, se prefiere el término inhibidor ya que no funcionan introduciendo una ruta de reacción con mayor energía de activación; esto no disminuiría la velocidad ya que la reacción continuaría ocurriendo por la ruta no catalizada. En cambio, actúan desactivando los catalizadores o eliminando intermedios de reacción como los radicales libres. [ 47 ] [ 12 ] En la catálisis heterogénea , la coquización inhibe el catalizador, que queda cubierto por subproductos poliméricos .

El inhibidor puede modificar la selectividad además de la velocidad. Por ejemplo, en la hidrogenación de alquinos a alquenos, se puede utilizar un catalizador de paladio (Pd) parcialmente "envenenado" con acetato de plomo(II) (Pb(CH₃CO₂ ) ₂ ) ( catalizador de Lindlar ) . [ 48 ] Sin la desactivación del catalizador , el alqueno producido se hidrogenaría posteriormente a alcano . [ 49 ] [ 50 ]

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 las operaciones de hidrogenación, los planos grandes de la superficie metálica funcionan como sitios de catálisis de hidrogenólisis , mientras que los sitios que catalizan la hidrogenación de insaturados son más pequeños. Por lo tanto, un veneno que cubra la superficie de forma aleatoria tenderá a disminuir el número de planos grandes no contaminados, pero dejará libres proporcionalmente sitios más pequeños, modificando así la selectividad entre hidrogenación e hidrogenólisis. También son posibles muchos otros mecanismos.

Los promotores pueden cubrir la superficie para evitar la formación de una capa de coque, o incluso eliminar activamente dicho material (por ejemplo, el renio sobre platino en el proceso de plataforma ). También pueden facilitar la dispersión del material catalítico o unirse a los reactivos.

Catálisis prebiótica en el origen de la vida

La vida se basa en una interacción entre el procesamiento de información y la actividad catalítica llevada a cabo por polímeros biológicos. [ 51 ] Se propuso una posible vía evolutiva para la aparición de funciones catalíticas en polímeros prebióticos codificadores de información . [ 51 ] También se ha propuesto que la vida surgió como un sistema de ARN - proteína en el que ambos componentes catalizaron la formación del otro. [ 52 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 IUPAC , Compendio de Terminología Química , 5.ª ed. (el "Libro de Oro") (2025). Versión en línea: (2006 – ) " catalizador ". doi : 10.1351/goldbook.C00876
  2. ↑ Masel, Richard I (2001). Cinética química y catálisis . Nueva York: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-24197-0.
  3. ↑ Steinfeld, Jeffrey I.; Francisco, Joseph S.; Hase, William L. (1999). Cinética y dinámica química (2.ª ed.). Prentice Hall. pág. 147. ISBN   0-13-737123-3Un catalizador se define como una sustancia química que aumenta la velocidad de una reacción química sin consumirse en la misma.
  4. ↑ Lerner, Louise (2011). "7 cosas que quizás no sepas sobre catálisis" . Laboratorio Nacional Argonne .
  5. ↑ Laidler, Keith J.; Meiser, John H. (1982). Química física . Benjamin/Cummings. pág. 425. ISBN  0-8053-5682-7Los inhibidores no funcionan introduciendo una vía de reacción más rápida; esto no reduciría la velocidad, ya que la reacción continuaría ocurriendo por el mecanismo alternativo.
  6. ↑ Carroll, Gregory T.; Kirschman, David L. (23 de enero de 2023). "Una unidad de filtración catalítica de humo quirúrgico reduce los niveles de formaldehído en un entorno de quirófano simulado" . ACS Chemical Health & Safety . 30 (1): 21– 28. doi : 10.1021/acs.chas.2c00071 . ISSN 1871-5532 . S2CID 255047115 .  
  7. ↑ "Catálisis" . Departamento de Química de la Universidad de Oxford . Consultado el 29 de enero de 2025 .
  8. 1 2 Laidler, Keith J.; Cornish-Bowden, Athel (1997) .«Elizabeth Fulhame y el descubrimiento de la catálisis: 100 años antes de Buchner» (PDF) . En Cornish-Bowden, Athel (ed.). Cerveza nueva en botella vieja: Eduard Buchner y el crecimiento del conocimiento bioquímico . Valencia: Universitat de Valencia. pp. 123–126 . ISBN  978-84-370-3328-0Archivado del original (PDF) el 23 de enero de 2015. Consultado el 14 de marzo de 2021 .
  9. 1 2 Rayner-Canham, Marelene; Rayner-Canham, Geoffrey William (2001). Mujeres en la química: sus roles cambiantes desde la época alquímica hasta mediados del siglo XX . Sociedad Química Estadounidense. ISBN 978-0-8412-3522-9.
  10. ↑ "El genio en una botella" . Universidad de Minnesota . 2 de marzo de 2005. Archivado del original el 5 de abril de 2008.
  11. ↑ Torkashvand, Mostafa; Sarabadani Tafreshi, Saeedeh; de Leeuw, Nora H. (mayo de 2023). "Estudio de la hidrogenación del monóxido de carbono sobre la superficie Co (001) mediante la teoría del funcional de la densidad: implicaciones para el proceso Fischer-Tropsch" . Catalysts . 13 (5): 837. doi : 10.3390/catal13050837 . ISSN 2073-4344 . 
  12. ^ Laidler , KJ y Meiser, JH (1982) Química física , Benjamin/Cummings, pág. 425.ISBN​ 0-618-12341-5.
  13. ↑ Laidler, Keith J.; Meiser, John H. (1982). Química física . Benjamin/Cummings. págs. 424–425 . ISBN  0-8053-5682-7.
  14. ↑ Atkins, Peter; de Paula, Julio (2006). Química física de Atkins (8.ª ed.). WHFreeman. pág. 839. ISBN   0-7167-8759-8El catalizador reduce la energía de activación de la reacción al proporcionar una vía alternativa que evita la etapa lenta y determinante de la velocidad de la reacción no catalizada .
  15. 1 2 Steinfeld, Jeffrey I.; Francisco, Joseph S.; Hase, William L. (1999). Cinética y dinámica química (2.ª ed.). Prentice Hall. págs. 147–150 . ISBN   0-13-737123-3. La concentración del catalizador [C] aparece en la expresión de velocidad, pero no en la relación de equilibrio.
  16. ↑ Jacoby, Mitch (16 de febrero de 2009). "Producción de agua paso a paso" . Chemical & Engineering News . pág. 10. 
  17. ↑ Matthiesen J, Wendt S, Hansen JØ, Madsen GK, Lira E, Galliker P, Vestergaard EK, Schaub R, Laegsgaard E, Hammer B, Besenbacher F (2009). "Observación de todos los pasos intermedios de una reacción química en una superficie de óxido mediante microscopía de efecto túnel". ACS Nano . 3 (3): 517– 26. Bibcode : 2009ACSNa...3..517M . CiteSeerX 10.1.1.711.974 . doi : 10.1021/nn8008245 . ISSN 1520-605X . PMID 19309169 .   
  18. ↑ Robertson, AJB (1970) Catálisis de reacciones de gases por metales . Logos Press, Londres.
  19. ↑ Vlatković, Matea; Collins, Beatrice SL; Feringa, Ben L. (2016). "Sistemas dinámicos de respuesta para la función catalítica" . Chemistry: A European Journal . 22 (48): 17080– 17111. Bibcode : 2016ChEuJ..2217080V . doi : 10.1002/chem.201602453 . hdl : 11370/d3817df5-3e98-4424-b29e-f04902d013bd . PMID 27717167 . 
  20. ↑ Roelz M, Butschke B, Breit B (mayo de 2024). "Ligandos NHC integrados con azobenceno: una plataforma versátil para la catálisis de metales conmutable por luz visible" . Journal of the American Chemical Society . 146 (19): 13210– 13225. Bibcode : 2024JAChS.14613210R . doi : 10.1021/jacs.4c01138 . PMID 38709955 . 
  21. ↑ Shafiq, Iqrash; Shafique, Sumeer; Akhter, Parveen; Yang, Wenshu; Hussain, Murid (23 de junio de 2020). "Desarrollos recientes en catalizadores de hidrodesulfuración soportados en alúmina para la producción de productos de refinería libres de azufre: una revisión técnica". Catalysis Reviews . 64 (1): 1– 86. doi : 10.1080/01614940.2020.1780824 . ISSN 0161-4940 . S2CID 225777024 .  
  22. 1 2 Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2005). Química inorgánica (2.ª ed.). Pearson Prentice-Hall. pág. 805. ISBN   0130-39913-2.
  23. 1 2 Knözinger, Helmut y Kochloefl, Karl (2002) "Catálisis heterogénea y catalizadores sólidos" en Enciclopedia de química industrial de Ullmann, Wiley-VCH, Weinheim. doi : 10.1002/14356007.a05_313
  24. ↑ Appl, Max (2006). "Amoniaco". Enciclopedia de Química Industrial de Ullmann . doi : 10.1002/14356007.a02_143.pub2 . ISBN 3-527-30673-0.
  25. ↑ "Química del vanadio" . Chemistry LibreTexts . 3 de octubre de 2013. Consultado el 8 de julio de 2022 .
  26. ^ Chadha, Utkarsh; Selvaraj, Senthil Kumaran; Ashokan, Hridya; Hariharan, Sai P.; Mateo Pablo, V.; Venkatarangan, Vishal; Paramasivam, Velmurugan (8 de febrero de 2022). "Nanomateriales complejos en catálisis para aplicaciones químicamente importantes: desde la síntesis y el procesamiento de hidrocarburos hasta aplicaciones de energía renovable" . Avances en ciencia e ingeniería de materiales . 2022 e1552334. doi : 10.1155/2022/1552334 . ISSN 1687-8434 . 
  27. ↑ Behr, Arno (2002) "Compuestos organometálicos y catálisis homogénea" en Enciclopedia de química industrial de Ullmann, Wiley-VCH, Weinheim. doi : 10.1002/14356007.a18_215
  28. ↑ Elschenbroich, C. (2006) Organometálicos . Wiley-VCH: Weinheim. ISBN 978-3-527-29390-2
  29. ↑ "El Premio Nobel de Química 2021" . NobelPrize.org .
  30. ↑ Melchiorre, Paolo (2022). "Introducción: Procesos catalíticos fotoquímicos" . Chemical Reviews . 122 (2): 1483– 1484. doi : 10.1021/acs.chemrev.1c00993 . PMID 35078320. S2CID 246287799 .  
  31. ↑ Nelson, DL y Cox, MM (2000) Lehninger, Principios de bioquímica, 3.ª ed. Worth Publishing: Nueva York. ISBN 1-57259-153-6.
  32. ↑ Anticuerpos catalíticos explicados de forma sencilla . Documentroot.com (6 de marzo de 2010). Consultado el 11 de noviembre de 2015.
  33. ↑ Solovev, Alexander A.; Sanchez, Samuel; Mei, Yongfeng; Schmidt, Oliver G. (2011). "Microbombas tubulares catalíticas sintonizables que operan a bajas concentraciones de peróxido de hidrógeno" (PDF) . Physical Chemistry Chemical Physics . 13 (21): 10131– 35. Bibcode : 2011PCCP...1310131S . doi : 10.1039/C1CP20542K . PMID 21505711. Archivado del original (PDF) el 28 de marzo de 2019. 
  34. ↑ 1.4.3 Eficiencia de los procesos industriales. Archivado el 17 de mayo de 2008 en Wayback Machine . climatetechnology.gov
  35. ↑ Smil, Vaclav (2004). Enriqueciendo la Tierra: Fritz Haber, Carl Bosch y la transformación de la producción mundial de alimentos (1.ª ed.). Cambridge, MA: MIT. ISBN  978-0-262-69313-4.
  36. ↑ Dub, Pavel A.; Gordon, John C. (2018). "El papel de la funcionalidad N–H unida al metal en los catalizadores moleculares de tipo Noyori". Nature Reviews Chemistry . 2 (12): 396– 408. doi : 10.1038/s41570-018-0049-z . S2CID 106394152 . 
  37. ↑ Clark, Jim (octubre de 2013). "Tipos de catálisis" . Chemguide.
  38. ↑ Bård Lindström y Lars J. Petterson (2003) " Una breve historia de la catálisis " Cattech , 7 (4) : 130–38.
  39. ↑ Berzelius, JJ (1835) Årsberättelsen om framsteg i fysik och kemi [Informe anual sobre los avances en física y química]. Estocolmo, Suecia: Real Academia Sueca de Ciencias. Después de revisar las investigaciones de Eilhard Mitscherlich sobre la formación del éter, Berzelius acuña la palabra katalys (catálisis) en la p. 245 :
    Original: Jag skall derföre, för att begagna en i kemien välkänd härledning, kalla den kroppars katalytiska kraft, sönderdelning genom denna kraft katalys, likasom vi med ordet analys beteckna åtskiljandet af kroppars beståndsdelar medelst den vanliga kemiska frändskapen.
    Traducción : Por lo tanto, para emplear una derivación bien conocida en química, llamaré a los cuerpos [es decir, sustancias] catalíticos y a la descomposición de otros cuerpos por esta fuerza catálisis , del mismo modo que con la palabra análisis designamos la separación de los constituyentes de los cuerpos por las afinidades químicas habituales.
  40. ^ Mitscherlich, E. (1834). "Ueber die Aetherbildung" [ Sobre la formación del éter ] . Annalen der Physik und Chemie . 31 (18): 273– 82. Bibcode : 1834AnP...107..273M . doi : 10.1002/andp.18341071802 .
  41. ↑ Döbereiner (1822). "Glühendes Verbrennen des Alkohols durch verschiedene erhitzte Metalle und Metalloxyde" [ Quema incandescente de alcohol mediante diversos metales y óxidos metálicos calentados ] . Revista para química y física . 34 : 91-92 .
  42. ↑ Döbereiner (1823). "Neu entdeckte merkwürdige Eigenschaften des Platinsuboxyds, des oxydirten Schwefel-Platins und des metallischen Plainstaubes" [ Propiedades notables recientemente descubiertas del subóxido de platino, el sulfuro de platino oxidado y el polvo de platino metálico ] . Revista para química y física . 38 : 321-26 .
  43. ↑ Davy, Humphry (1817). "Algunos experimentos y observaciones nuevos sobre la combustión de mezclas gaseosas, con una descripción de un método para mantener una luz continua en mezclas de gases inflamables y aire sin llama" . Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 107 : 77–85 . doi : 10.1098/rstl.1817.0009 . S2CID 97988261 . 
  44. ↑ Roberts, MW (2000). "Nacimiento del concepto catalítico (1800–1900)". Catalysis Letters . 67 (1): 1– 4. doi : 10.1023/A:1016622806065 . S2CID 91507819 . 
  45. ↑ Nicholas, Christopher P. (21 de agosto de 2018). "Deshidratación, dienos, alto octano y altas presiones: contribuciones de Vladimir Nikolaevich Ipatieff, un padre de la catálisis" . ACS Catalysis . 8 (9): 8531–39 . doi : 10.1021/acscatal.8b02310 .
  46. ↑ Dhara SS; Umare SS (2018). Un libro de texto de química para ingeniería . India: S. Chand Publishing. pág. 66. ISBN  978-93-5283-068-8.
  47. 1 2 Laidler, KJ (1978) Química física con aplicaciones biológicas , Benjamin/Cummings. págs. 415–17. ISBN 0-8053-5680-0.
  48. ↑ Lindlar H.; Dubuis R. (2016). "Catalizador de paladio para la reducción parcial de acetilenos". Organic Syntheses . doi : 10.15227/orgsyn.046.0089; Volúmenes recopilados , vol. 5, pág. 880  .
  49. ↑ Jencks, WP (1969) Catálisis en química y enzimología. McGraw-Hill, Nueva York. ISBN 0-07-032305-4
  50. ↑ Bender, Myron L; Komiyama, Makoto y Bergeron, Raymond J (1984) La química bioorgánica de la catálisis enzimática Wiley-Interscience, Hoboken, EE. UU . ISBN 0-471-05991-9
  51. 1 2 Tkachenko AV, Maslov S (marzo de 2024). "Surgimiento de la función catalítica en polímeros prebióticos codificadores de información" . eLife . 12 RP91397 . doi : 10.7554/eLife.91397 . PMC 10965222. PMID 38530342 .  
  52. ↑ Agmon I (febrero de 2024). "Tres biopolímeros y escenarios del origen de la vida" . Life . 14 ( 2): 277. Bibcode : 2024Life...14..277A . doi : 10.3390/life14020277 . PMC 10890401. PMID 38398786 .  
  • Ayuda científica: Página de catalizadores para ciencias de nivel de secundaria
  • Presentación de WA Herrmann Technische Universität Archivado el 28 de octubre de 2005 en Wayback Machine .
  • Catalizador de alumita, Laboratorio Kameyama-Sakurai, Japón
  • Grupo de Química Inorgánica y Catálisis, Universidad de Utrecht, Países Bajos
  • Centro de Química de Superficies y Catálisis
  • Laboratorio CarboCat, Universidad de Concepción, Chile
  • NSF CENTC, Centro para el Desarrollo de Nuevas Tecnologías (mediante catálisis)
  • "Las burbujas activan catalizadores químicos" , Science News, 6 de abril de 2009.