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Catálisis

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…

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Catálisis

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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.

Catálisis diagrama de energía catálisis StudySmarterFig. 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.

Preguntas frecuentes sobre Catálisis

La catálisis aumenta la velocidad de una reacción química para generar productos más rápidamente.

Dependiendo de sus fases, los catalizadores se clasifican en homogéneos (en la misma fase de los reactivos) y heterogéneos (en diferente fase que los reactivos).

Una reacción catalítica en un catalizador heterogéneo consta de 3 etapas principales: 

  • Adsorción 
  • Reacción superficial  
  • Desorción 

Los reactivos se adsorben en la superficie del catalizador, donde reaccionan para convertirse en productos y, finalmente, son liberados de la superficie del catalizador.

Los mecanismos de catálisis son los diferentes pasos de una reacción catalítica:

  • Los reactivos reaccionan con el catalizador y forman un intermediario.
  • El intermediario decae para formar un producto, y este regenera el catalizador.

La catálisis se lleva a cabo en el sitio activo del catalizador, que es la parte del sistema catalítico directamente involucrado en la catálisis.

Cuestionario final de Catálisis

Catálisis Quiz - Teste dein Wissen

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Las enzimas son catalizadores biológicos.

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero

Show question

Pregunta

¿Cuáles son los tres tipos tradicionales de catálisis?

Mostrar respuesta

Answer

Catálisis homogénea.

Show question

Pregunta

¿Cómo se llaman los catalizadores formados por aminoácidos?

Mostrar respuesta

Answer

Enzimas.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Los catalizadores cambian la termodinámica del sistema. 

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Los catalizadores abren nuevas rutas de reacción.

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Siempre se regenera el catalizador al final de un ciclo catalítico.

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Qué elemento de la lista no se encuentra en los catalizadores orgánicos?

Mostrar respuesta

Answer

Paladio.

Show question

Pregunta

La catálisis homogénea ocurre en ______.

Mostrar respuesta

Answer

Una fase.

Show question

Pregunta

La reacción entre N2 y H2 en la superficie de un catalizador de hierro es un ejemplo de catálisis ______.

Mostrar respuesta

Answer

Heterogénea.

Show question

Pregunta

La reacción de Hajos-Parrish-Eder-Sauer-Wiechert es un ejemplo de catálisis ______.

Mostrar respuesta

Answer

Orgánica.

Show question

Pregunta

La reacción que convierte alcoholes en aldehídos en el cuerpo humano catalizada por la  es un ejemplo de catálisis

Mostrar respuesta

Answer

Enzimática.

Show question

Pregunta

La catálisis ocurre en el ______ del catalizador.

Mostrar respuesta

Answer

Sitio activo.

Show question

Pregunta

La reacción que genera pasta de dientes para elefantes, catalizada por yoduro de potasio, es un ejemplo de catálisis ______.

Mostrar respuesta

Answer

Homogénea.

Show question

Pregunta

La energía de activación de un intermediario catalítico es ______ que la de un intermediario no catalítico.

Mostrar respuesta

Answer

Menor.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Las enzimas no se pueden utilizar en procesos industriales.

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

¿Qué es la catálisis?

Mostrar respuesta

Answer

Es el proceso gracias al cual se acelera la velocidad de una reacción gracias a un catalizador.

Show question

Pregunta

¿Qué es un catalizador?

Mostrar respuesta

Answer

Es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin cambiar su composición química ni su cantidad.

Show question

Pregunta

¿Qué es un catalizador heterogéneo?

Mostrar respuesta

Answer

Es un catalizador que se encuentra en una fase distinta a la de los reactivos y la reacción se produce en los puntos activos de la superficie. 

Show question

Pregunta

¿Qué es un catalizador homogéneo?

Mostrar respuesta

Answer

Es un catalizador que se encuentra en la misma fase que los reactivos.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: La descomposición del peróxido de hidrógeno utiliza MnO3 como catalizador 

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: La descomposición del peróxido de hidrógeno utiliza MnO2 como catalizador

Mostrar respuesta

Answer

Verdaero.

Show question

Pregunta

¿Qué tipo de reacción es la conversión de SOen SO3 para formar ácido sulfúrico (H2SO4)?

Mostrar respuesta

Answer

Exotérmica.

Show question

Pregunta

¿Qué es el proceso Haber-Bosch?

Mostrar respuesta

Answer

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 de otras fuentes.

Show question

Pregunta

¿Qué es el proceso Monsanto?

Mostrar respuesta

Answer

Es un proceso utilizado en la industria mediante el cual, gracias a la carbonilación de metanol en presencia de un catalizador, se obtiene ácido acético.

Show question

Pregunta

¿Qué catalizador se utiliza en el proceso Monsanto?

Mostrar respuesta

Answer

Rh-I (rodio-yodo).

Show question

Pregunta

¿Qué catalizador se utiliza en el proceso de Haber-Bosch?

Mostrar respuesta

Answer

Catalizador de hierro.

Show question

Pregunta

¿Qué catalizador se utiliza en la descomposición del peróxido de hidrógeno?

Mostrar respuesta

Answer

MnO2.

Show question

Pregunta

¿Qué tipos de catalizadores hay según la fase en la que se encuentren con respecto al resto de reactivos?

Mostrar respuesta

Answer

Catalizadores heterogéneos y catalizadores homogéneos.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Un catalizador homogéneo se encuentra en distinta fase que los reactivos.

Mostrar respuesta

Answer

Falso.

Show question

Pregunta

¿Verdadero o falso?: Un catalizador heterogéneo se encuentra en distinta fase que los reactivos.

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

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