Piensa en un bastón luminoso (los palitos de colores que se iluminan en la oscuridad cuando los doblas). Estos tienen dos sustancias químicas: una que flota en el interior del bastón y otra que se mantiene en una cápsula de cristal que se rompe. Cuando la cápsula se rompe, se produce una reacción química que genera energía en forma de luz. Curiosamente, una de estas sustancias químicas es un catalizador de base.
Fig. 1: Bastones luminosos de diferentes colores.
Tal vez, después de esto, te preguntes qué son y para qué sirven los catalizadores. ¡Sigue leyendo para descubrirlo!
- Este artículo trata sobre la catálisis en la industria.
- En primer lugar, es muy importante que veamos el concepto de catálisis.
- Posteriormente, entenderemos para qué sirven los catalizadores y cuáles son los tipos de catalizadores que existen.
- Para practicar, estudiaremos algunos ejemplos de reacciones químicas a nivel industrial.
- Luego, analizaremos el proceso de Haber-Bosch, que es fundamental en la industria.
- Para terminar, veremos qué es el proceso Monsanto.
¿Qué es la catálisis?
El término catálisis se refiere al proceso gracias al cual se acelera la velocidad de una reacción gracias a un catalizador. Gracias a la catálisis, reacciones que serían muy lentas ocurren muy rápidamente.
La catálisis es muy relevante en diversos procesos químicos, empezando por algunas reacciones que ocurren en el cuerpo humano. También son muy importantes en la industria.
¿Para qué sirven los catalizadores?
Los catalizadores son esenciales en la industria: ayudan a acelerar la velocidad de reacción y a reducir la energía de activación.
Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química, sin cambiar su composición química, ni su cantidad.
Cuando los catalizadores intervienen en un proceso químico, la reacción produce la misma cantidad de catalizador que se añadió al principio de la reacción. Los metales de transición son excelentes catalizadores, debido a sus estados de oxidación variables. En algunos casos, adsorben sustancias en su superficie y las activan.
Ahora, ya sabes lo que hacen los catalizadores. Pero, ¿cómo funcionan? Los catalizadores aumentan la velocidad de una reacción, reduciendo la energía de activación necesaria para que se produzca con éxito un paso elemental de la reacción. Cuando esto ocurre, se crea una nueva vía de reacción (o vía alternativa) debido a la formación de un nuevo intermediario de reacción.
Ten en cuenta que un catalizador proporciona una vía alternativa para que se produzca la reacción; pero, no reduce la energía de activación de la reacción original.
Catalizadores heterogéneos
Un catalizador heterogéneo se encuentra en una fase distinta a la de los reactivos, y la reacción se produce en los puntos activos de la superficie. En general, la mayoría de los catalizadores heterogéneos están en fase sólida y no se consumen en la reacción. En la catálisis heterogénea, al menos uno de los reactivos se adsorbe en los puntos activos de la superficie del catalizador.
Es posible que hayas oído hablar de los catalizadores de los coches. Son un ejemplo de catalizadores heterogéneos en funcionamiento.
En un catalizador, un reactivo gaseoso pasa sobre un catalizador sólido. Los metales de transición son catalizadores sólidos muy populares. Los procesos Haber y Contact utilizan catalizadores de metales de transición para aumentar la velocidad de reacción. ¿Cómo lo consiguen? Descúbrelo a continuación.
Catalizadores homogéneos
Un catalizador homogéneo es un catalizador que se encuentra en la misma fase que los reactivos.
La catálisis homogénea suele implicar un catalizador acuoso y reactivos acuosos, pero no siempre es así. A veces, el catalizador y los reactivos se encuentran en fase gaseosa. En la catálisis homogénea, la reacción se produce a través de una especie intermedia. ¿Qué significa esto? Puedes ver cómo funciona en la reacción entre el ion persulfato (peroxidisulfato) y el yodo.
Reacciones químicas a nivel industrial
Veamos, ahora, algunos ejemplos de reacciones químicas con catalizadores que se llevan a cabo a nivel industrial:
La descomposición del peróxido de hidrógeno utiliza MnO2 como catalizador:
$$2H_{2}O_{2\ (l)}+MnO_{2\ (cat)}\rightarrow 2H_{2}O_{(l)}+O_{2\ (g)}+MnO_{2\ (cat)}$$
Analicemos ahora otro ejemplo:
Otro proceso importante que utiliza catalizadores es la conversión de SO2 en SO3 para formar ácido sulfúrico (H2SO4).
Este proceso se conoce como proceso de contacto y emplea óxido de vanadio (V) como catalizador:
$$SO_{2}+\frac{1}{2}O_{2}+V_{(cat)}\rightleftharpoons SO_{3}+V_{(cat)} $$
Esta reacción es exotérmica.
Proceso Haber-Bosch
Para empezar, veamos qué es el proceso de Haber Bosch:
El proceso Haber-Bosch es un proceso realizado para fabricar amoníaco (NH3). Este requiere dos materias primas fundamentales para llevarse a cabo: el hidrógeno y el nitrógeno. El nitrógeno puede obtenerse del aire y el hidrógeno puede obtenerse del gas natural y otras fuentes.
En este proceso, el catalizador de hierro es muy importante, ya que, sin él, la reacción tardaría mucho tiempo en realizarse. Los pasos a llevar a cabo son los siguientes:
El hidrógeno y el nitrógeno se bombean a un compresor, a través de tuberías.
La mezcla de hidrógeno y nitrógeno se comprime dentro del compresor a una presión de 200 atm y una temperatura de 450 °C.
Los gases se bombean a un reactor que contiene un catalizador de hierro.
Los gases se enfrían en el tanque de enfriamiento y el amoníaco se licua y se separa.
El nitrógeno y el hidrógeno que no han reaccionado se reciclan y vuelven al reactor, para que no se desperdicien.
Puedes observar que, en el paso 3, se introduce un catalizador; gracias a él, los gases reaccionan entre sí a una velocidad enorme.
Proceso Monsanto
En primer lugar, analicemos qué es el proceso Monsanto:
El proceso Monsanto es una método utilizado en la industria, mediante el cual, gracias a la carbonilación de metanol en presencia de un catalizador, se obtiene ácido acético.
Aquí tienes un diagrama del proceso, en el que se indican todos las moléculas que intervienen en él. El catalizador utilizado para el proceso es Rh-I (rodio-yodo):
Fig. 3: Diagrama del proceso Monsanto. Se indican todas las moléculas que intervienen en la reacción.
Catálisis en la industria - Puntos clave
- El término catálisis se refiere al proceso a través del cual se acelera la velocidad de una reacción gracias a un catalizador.
- Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química, sin cambiar su composición química, ni su cantidad.
- Un catalizador heterogéneo se encuentra en una fase distinta a la de los reactivos y la reacción se produce en los puntos activos de la superficie.
- Un catalizador homogéneo es aquel que se encuentra en la misma fase que los reactivos.
- El proceso Haber-Bosch es un proceso realizado para fabricar amoníaco. Este requiere dos materias primas fundamentales para llevarse a cabo: el hidrógeno y el nitrógeno. El nitrógeno puede obtenerse del aire y el hidrógeno puede obtenerse del gas natural y otras fuentes.
- El proceso de Monsanto es una proceso utilizado en la industria mediante el cual, gracias a la carbonilación de metanol en presencia de un catalizador, se obtiene ácido acético.
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