La catálisis es algo muy parecido al monstruo del lago Ness, o al Área 51: todo el mundo ha oído hablar de ella, pero parece que nadie sabe lo que pasa. Puede que sepas que tu coche la necesita para proteger el medioambiente o, quizá hayas oído que se utiliza durante la elaboración de algunos alimentos (como la margarina) y que los catalizadores te envenenarían, si acabas comiéndolos. Vale, entonces los catalizadores no son buenos para ti, ¿verdad?
Bueno, ¡no tan rápido! La vitamina C es un catalizador que tu cuerpo emplea para mantenerte sano. Mejor aún, si las enzimas (también catalizadores) dejaran de hacer catálisis en tus células, morirías al instante. La catálisis está en todas partes, desde los recientes premios Nobel de química hasta tu coche, los alimentos e, incluso, el interior de tus neuronas. Nuestro mundo y nuestro futuro giran en torno a la catálisis y a lograr hacerla mejor, más ecológica y más barata. ¿Te apetece explorarla?
- En primer lugar, vamos a construir una intuición sobre lo que es la catálisis, antes de llegar a conocer su definición oficial.
- A continuación, echaremos un vistazo a los diagramas de energía que describen la catálisis, desde un punto de vista físico, para estudiar el efecto de un catalizador en la energía de activación.
- Después, nos adentraremos en los distintos ejemplos de catálisis y en la clasificación de los catalizadores.
- A lo largo de nuestro viaje por el mundo de los catalizadores, también haremos algunas inmersiones a profundidad sobre cómo funcionan realmente los catalizadores en algunos ejemplos concretos.
¿Qué es la catálisis?
La catálisis se define como un proceso en el que la velocidad de una reacción aumenta, sin modificar el cambio de energía de Gibbs global estándar en el sistema.
La catálisis puede ser algo difícil de entender. Por eso, más allá de la definición de arriba, es importante que construyamos una intuición sobre lo que es realmente la catálisis. Empecemos por lo que es la química: la transformación de unos compuestos para formar otros. Esperamos que a estas alturas de tus estudios esto no te sorprenda; pero, en química creamos nuevos compuestos, a partir de otros ya existentes. Pues, los catalizadores facilitan este proceso.
Los catalizadores son, básicamente, sustancias que facilitan las reacciones químicas. Veamos ahora cómo se hace esto en la práctica.
Piénsalo así: Si compras una cama y tienes que montarla, puedes hacerlo en un día, más o menos. Si te damos las directrices sobre cómo montarla, puedes hacer el mismo trabajo en 2 horas.
En este caso, el plano sería el catalizador, y la cama es la sustancia química que estás sintetizando.
Efecto de un catalizador en la energía de activación
Una forma de que el catalizador facilita las reacciones químicas es abrir una nueva ruta o mecanismo para la reacción. Esta nueva ruta posee una menor energía de activación.
La energía de activación es la energía mínima necesaria para iniciar una reacción química.
- Primero, los reactivos reaccionan con el catalizador y forman un intermediario.
- Luego, el intermediario decae para formar un producto, y este regenera el catalizador.
A continuación puedes ver un ejemplo de esto, dibujado en términos de energía y coordenadas de reacción. Nota como la reacción con catálisis tiene menor energía en el estado intermedio, aunque las energías iniciales y finales son iguales a las de la reacción sin catálisis.
Fig. 1: Diagrama de energía de una reacción catalizada y una reacción sin catalizar.
En este ejemplo solo hay un paso intermedio en ambos casos. Pero, las reacciones catalíticas suelen tener múltiples pasos intermedios. Como siempre acaban regenerando los catalizadores, estas reacciones se denominan ciclos catalíticos. Los ciclos catalíticos pueden ser extremadamente complicados, o muy sencillos; pero, al final, deben regenerar el catalizador y, en algún punto del camino, generarán el producto deseado.
Otra forma de mejorar la velocidad de reacción es concentrar los reactivos en la superficie de los catalizadores. Esto funciona, porque la velocidad de reacción no solo depende de la energía de activación, sino también de las concentraciones de los reactivos.
Es muy difícil encasillar cada tipo de catálisis, ya que pueden ser bastante extrañas. La forma más fácil de clasificarlas es por las fases del reactivo y de los catalizadores.
- Si están en la misma fase, se denomina catálisis homogénea
- Si los catalizadores y los reactivos están en fases diferentes, la llamaremos catálisis heterogénea.
Ahora bien, las enzimas son un poco raras y difíciles de clasificar; por eso les hemos dado su propia categoría: la catálisis enzimática. Veamos en profundidad cada una de estas categorías, con la ayuda de algunos ejemplos.
Catálisis homogénea
En la catálisis homogénea, el catalizador se encuentra en la misma fase que los reactivos.
La catálisis homogénea casi siempre se produce en disolución; pero, esto no es un requisito, podrías hacer —incluso— una catálisis gas-gas.
¿Has hecho o visto alguna vez un experimento con pasta de dientes para elefantes? Si es así, ¡enhorabuena, has experimentado la catálisis homogénea de primera mano! Se trata de una reacción catalítica, porque el catalizador (levadura o yoduro de potasio) no cambia la reacción, solo que la acelera. En realidad, con o sin el catalizador, el peróxido de hidrógeno se transformaría en agua y oxígeno. Este oxígeno forma, entonces, burbujas con el detergente (jabón) para producir espuma.
Ahora bien, esta reacción —bajo condiciones normales— es bastante anodina y parece una lata de refresco metida en un vaso. Pero si añades un catalizador, puedes acelerar la reacción y hacer mucha espuma o, en algunos casos, hacerla explotar.
Ahora que ya sabes que homogéneo significa que está en la misma fase, ¿puedes adivinar qué significa heterogéneo?
Catálisis heterogénea
En la catálisis heterogénea el catalizador se encuentra en una fase diferente a los reactivos.
Para la catálisis heterogénea, necesitamos al menos dos fases.
Digamos que tomamos dos gases y los hacemos reaccionar en la superficie de un catalizador sólido. También son posibles otras disposiciones, podrías tener gases reaccionando en un catalizador líquido o cualquier otra cosa que se te ocurra.
Ahora bien, sobre el papel, todo vale; pero, para que resulte práctico, en la catálisis heterogénea casi siempre se busca un catalizador sólido.
Hay una reacción catalítica sin la cual solo podríamos alimentar a 2/3 de la población actual. Esta es el núcleo de la producción de fertilizantes artificiales y ocupa alrededor del 1,3 % de todo el consumo de energía de la raza humana:
$$3H_2+N_2 \rightleftharpoons 2NH_3$$
Esta reacción se llama proceso Haber-Bosch; para poner su impacto en perspectiva: producir amoníaco utiliza la mitad de energía que Canadá. Con la ayuda de un mejor catalizador para esta reacción, podríamos reducir la energía requerida a la mitad, luego, a 1/4 y así sucesivamente. Así, no solo sería más barato, sino que también podría disminuir nuestra emisión de CO₂ en la misma cantidad que detener todo el tráfico aéreo del mundo.
¿Cuál es el papel de la adsorción en la catálisis heterogénea?
La adsorción puede tener muchos efectos diferentes en las reacciones catalíticas heterogéneas. En primer lugar, suele aumentar la concentración de reactivo en la superficie, con lo que se extiende la reacción. En segundo lugar, las moléculas adsorbidas también pueden reaccionar con el catalizador sobre el que se adsorben, para producir intermediarios más reactivos.
Esto nos lleva a preguntarnos ¿cómo podemos hacer mejores catalizadores? Bueno, un enfoque muy destacado es simplemente copiar lo que la naturaleza ya ha desarrollado para nosotros. Veamos.
Catálisis enzimática
Las enzimas son los catalizadores producidos por fuentes naturales, como las bacterias, los animales o el ser humano. Estas enzimas están formadas por aminoácidos y suelen tener átomos metálicos en su centro activo.
La catálisis enzimática es un tipo de catálisis en la que el catalizador es una enzima.
Las enzimas son muy importantes y, según nuestros conocimientos actuales, no pueden producirse fácilmente en un laboratorio; sería una tarea demasiado compleja para la química actual. Lo que hacemos, en cambio, es aislar las enzimas y estudiarlas. Después, se puede intentar recrear el sitio activo sin todos los aminoácidos que lo rodean.
El sitio activo es la parte del sistema catalítico (enzima) directamente involucrado en la catálisis.
Veamos algunos ejemplos de enzimas comunes:
- Uno muy famoso es la alcohol deshidrogenasa, que convierte los alcoholes en aldehídos; para esto, elimina los hidrógenos, de ahí su nombre.
- Otro grupo bastante famoso de enzimas son las quinasas, que ayudan a la célula a crear enlaces fósforo-oxígeno, en un proceso llamado fosforilación.
- Por último, el facilitador de toda la vida compleja: el fotosistema 1 y 2. Sin ellos, no hay fotosíntesis y, en consecuencia, no se puede sostener la vida avanzada. Además, estos dos son notoriamente difíciles de reproducir en un laboratorio, aunque muchos científicos se esfuerzan por lograrlo.
¿Sabías que las enzimas también se utilizan en los procesos industriales? En la práctica, cuando usamos un organismo para producir una sustancia química específica, a partir de otro, confiamos en sus enzimas para que hagan el trabajo. Después, destruimos el organismo y extraemos el producto.
Un buen ejemplo de ello es usar la levadura, para producir etanol, a partir de azúcares.
Podrías preguntarte por qué damos el paso extra con hongos y bacterias, cuando podríamos emplear simplemente un galón de enzimas, ¿verdad? Bueno, las enzimas son muy propensas a un proceso llamado desnaturalización. Esto significa, básicamente, que si miras con un poco de recelo a una enzima, esta se deshará y dejará de funcionar. Incluso, si sobrevive hasta que puedas iniciar la reacción fuera del entorno típico (dentro de una célula) para esa enzima específica, dejará de funcionar muy pronto.
De ahí que desarrollar enzimas artificiales que puedan sobrevivir en nuestro entorno industrial sería algo parecido al santo grial de la química. Esto haría la vida mucho más verde y barata para todos.
Un tipo de catálisis muy parecida a la catálisis enzimática es la catálisis orgánica, la cual estudiaremos a continuación.
Catálisis orgánica
La catálisis orgánica es un tipo de catálisis en el que el catalizador es un compuesto orgánico.
Normalmente, los catalizadores orgánicos contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre, nitrógeno, u otros elementos que se pueden encontrar en compuestos orgánicos. Por eso son amigables con el ambiente y fáciles de producir. La diferencia entre los catalizadores orgánicos y las enzimas es que las enzimas normalmente son más complejas que los catalizadores orgánicos.
En el año 2021, Benjamin List y David MacMillan ganaron el premio Nobel de química por el descubrimiento de la catálisis orgánica asimétrica. La principal ventaja de los catalizadores orgánicos asimétricos es su capacidad de producir únicamente un determinado isómero óptico de una molécula, lo que es muy importante en la producción de medicamentos.
Gracias a la catálisis orgánica, se pueden construir multitud de moléculas como fármacos y moléculas que pueden transformar la luz del sol en energía eléctrica.
Una reacción pionera en el campo de la catálisis orgánica asimétrica es la reacción de Hajos-Parrish-Eder-Sauer-Wiechert, desarrollada en la década de 1970.
Catálisis - Puntos clave
- El catalizador permite que la reacción vaya más rápido, sin cambiar la termodinámica. Este fenómeno se llama catálisis. Siempre recuperarás el catalizador que agregues a una reacción.
- El uso de un catalizador disminuye la energía de activación, porque hace posible un mecanismo de reacción alternativo.
- La catálisis puede tener muchas formas, se utilizan catalizadores naturales o artificiales para producir toda clase de productos.
- Las tres categorías principales de catálisis son la catálisis homogénea, heterogénea y enzimática.
- La catálisis orgánica es otro tipo de catálisis en la que el catalizador es un compuesto orgánico.
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