En el día a día ocurren diversos procesos químicos y biológicos que permiten el correcto funcionamiento de la vida, que suceden dentro del mismo cuerpo humana hasta en las grandes fábricas que usan los recursos naturales para un beneficio colectivo. Con base en ello, este blog tendrá como propósito fundamental reflejar en qué procesos químicos y biológicos en las industrias se hacen uso de un elemento crucial para la obtención de artefactos y suministros: los catalizadores; y definir por qué estos son tan importantes para nuestra existencia.
Estos catalizadores son mayormente demandados en los campos de la farmacéutica, la alimentación y la mecánica, que serán los tres tipos de industria tratados en esta página, debido a que son las funciones básicas en la actualidad que a cada hora abastecen a miles de millones de habitantes de los productos que se requieren; sin embargo, pocas veces consideramos ¿Cómo fue el proceso para la fabricación de ellos? Y en casos muy escasos se reconocen a los catalizadores como pilar del desarrollo satisfactorio de estos campos.
Para entender el funcionamiento y la utilidad de los catalizadores, primero es necesario conocer cómo funcionan las reacciones químicas, cuáles son sus componentes, cuáles son sus exigencias y su importancia en la industria.
¿Qué son?
Todos los objetos, naturales o artificiales, incluyendo los seres humanos, están formados por átomos, que se unen a otros átomos y forman moléculas. Para ello pueden utilizar diferentes tipos de enlaces químicos. Y es precisamente en estas uniones donde encontramos la clave de las reacciones químicas.
Estos fenómenos provocan que los enlaces químicos entre átomos se rompan y reorganicen, dando lugar a sustancias diferentes. Si miras a tu alrededor, te darás cuenta de que este tipo de reacciones químicas están ocurriendo constantemente. Sin ir más lejos, cuando respiramos o nos alimentamos proveemos a nuestras células de elementos químicos que ellas transforman en energía (y otros elementos) mediante una reacción química.
Por lo tanto, una reacción química es el proceso por el cual los enlaces químicos entre átomos se rompen y se forman nuevos enlaces. En este proceso intervienen dos tipos de sustancias: las que tenemos inicialmente y conocemos como reactivos y las que se obtienen después de la reacción química, llamadas productos.
¿Cómo se producen?
Continuamente los átomos están tratando de alcanzar el estado más estable posible, es decir, el que requiera menos energía. Para lograrlo interactúan con otros átomos, intercambiando o compartiendo electrones mediante enlaces químicos. Por esta razón, en una reacción química los átomos no cambian. Solo cambian los tipos de enlaces químicos que los unen. Además, para que ocurra una reacción química los reactivos deben chocar, ya que la energía es necesaria para romper los enlaces químicos entre átomos.
Reacciones químicas más comunes en la industria
En la industria que usa la química, no solo se usa un elemento para un determinado material sino que usan aleaciones, combinaciones y reacciones; y a partir de aquí se establecieron estas aleaciones, combinaciones y reacciones con nombres propios para utilización de específicos materiales.
Uno de las reacciones químicas más importantes y o combinaciones de elementos que dan unas reacciones son:
CALCANTITA→ Cu + S04 →→ CuSO4
La calcantita se utiliza en las industrias cual objetivo es el tratamiento de aguas servidas, y también en la fabricación de alimentos para animales.
ACERO Fe203 +3CO2Fe + 3CO2
El acero en la industria es muy importante ya que a comparación del hierro este material es muy resistente y es usado en las industrias que producen herramientas, motores, etc.
La glicerina (CH3-(CH2) n-COONa) se usa en las industrias de fabricación de jabones o productos de limpieza al ver esta reacción por medio de una reacción de saponificación podemos observar que se produce también alcohol (HO-CH2-R) ya que el alcohol actúa como desinfectante para ese uso.
ÁCIDO FOSFÓRICO P205+ H2O→→→H3PO4 1
Este compuesto es utilizado en diversos sectores: alimentario, cerámica, piensos, detergencia, tratamiento de aguas.
ÁCIDO TARTÁRICO→→ C4H606
El ácido tartárico es un acidificante y conservante natural, También se utiliza en fotografía y barnices y una variante conocida como sal de Rochelle (tartrato de sodio y potasio) constituye un suave laxante.
BICARBONATO AMÓNICO → CO2 + NH3 + H2O (NH4) HCO3
Bicarbonato amónico alimentario también conocido como Carbonato ácido de amonio es un polvo blanco soluble en agua e insoluble en etanol, metanol, acetona y se caracteriza por su capacidad, estabilizante y reguladora del pH.
ÁCIDO CITRICO C6H807
El ácido cítrico es utilizado como saborizante, regulador del pH, acidulante, antioxidante. El Ácido cítrico es un buen conservante y antioxidante natural que se usa industrialmente como aditivo en el envasado de muchos alimentos como las conservas de vegetales enlatadas.
La energía de activación (Ea) se define como la mínima energía necesaria para que una reacción química se pueda llevar a cabo. En otras palabras, es la barrera energética que se debe superar para que los reactivos puedan convertirse en productos. Sabemos que para que dos átomos o moléculas puedan reaccionar, primero deben colisionar. Además, deben hacerlo con la orientación adecuada para que se puedan formar los enlaces químicos nuevos y se puedan romper los viejos.
Sin embargo, aun si las dos moléculas se dirigen la una hacia la otra con la orientación perfecta, esto no asegura que se dé una colisión efectiva, debido a la repulsión entre los electrones de la superficie de las moléculas.
Por esta razón, es necesario que, además de una correcta orientación, las moléculas también viajen con cierta velocidad o con cierta energía cinética mínima que asegure que la colisión sea lo suficientemente fuerte como para contrarrestar la repulsión de los electrones.
Esta energía cinética mínima necesaria a nivel microscópico, es la que se traduce en la energía de activación de la reacción.
Se denominan catalizadores a la sustancia, sea un compuesto o elemento, que tiene la posibilidad de acelerar (catalizador positivo) o retardar (catalizador negativo o inhibidor) una reacción química, con la particularidad de que estos catalizadores permanecen sin alteraciones.
¿Cómo funcionan?
Generalmente funcionan:
1. Reduciendo la energía del estado de transición, así disminuyendo la energía de activación, y/o
2. Cambiando el mecanismo de la reacción. Esto también cambia la naturaleza (y la energía) del estado de transición.
Características
El catalizador no tiene ningún efecto sobre la constante de equilibrio o la dirección de la reacción. La dirección se puede controlar añadiendo o eliminando agua (principio Le Chatelier).
Los catalizadores funcionan permitiendo que la reacción tenga lugar a través de un mecanismo alternativo que requiere una energía de activación más pequeña. Este cambio es provocado por una interacción específica entre el catalizador y los componentes de la reacción. Recordarás que la constante de velocidad de una reacción es una función exponencial de la energía de activación.
Los catalizadores proporcionan vías de reacción alternativas.
Los catalizadores se dividen convencionalmente en dos categorías: homogéneos y heterogéneos. Las enzimas, catalizadores biológicos naturales, a menudo se incluyen en el primer grupo, pero debido a que comparten algunas propiedades de ambos pero exhiben algunas propiedades propias muy especiales, las trataremos aquí como una tercera categoría.
En 1836 Berzelius introdujo el término de catálisis para describir cómo a través de ciertos catalizadores podían producirse reacciones inducidas a través de ciertas sustancias, que ya habían sido observadas por Kirchhoff, Davy y Faraday durante los primeros años de siglo XIX. Aunque este fenómeno ya había sido utilizado inconscientemente en muchos procesos. Así, en 1831, P. Philips patentó el uso de platino para la oxidación del dióxido de azufre. Y fue a principios del siglo XX cuando se produjeron los primeros avances en la comprensión del fenómeno, y que se descubrieron en los catalizadores la particular posibilidad de acelerar o retardar los procesos industriales, como el de la síntesis de amoniaco. Existen catalizadores que provocan una catálisis homogénea, y es cuando, catalizador y reactivo están en una misma fase, por ejemplo en una solución acuosa. Los ejemplos a citar serían las catálisis ácido base y enzimáticas.
Recibe el nombre de catálisis covalente aquella en donde el catalizador no sólo estabiliza energéticamente el Complejo Activado, ya sea esta por formación de enlaces de hidrógeno, neutralización del campo eléctrico, etc., sino que además el sustrato se ve modificado transitoriamente por formación de enlace covalente con el catalizador( realmente se cambia el camino de la reacción) para dar lugar a un intermedio de reacción muy reactivo. Dependiendo del tipo de reacción implicada en la formación del enlace covalente sustrato-catalizador, la catálisis covalente puede ser nucleófila y electrófila. En los siguientes párrafos se dan algunas ideas y ejemplos de este tipo de catálisis de especial relevancia en la catálisis enzimática.
Catálisis Nucleófila
Imagen tomada de Google, se respetan los derechos de autor.
Los estudios de estructura-reactividad han aportado mucha información sobre la distribución de carga en el estado de transición de las reacciones de ataque nucleófilo sobre grupos carbonilos, concretamente, en las reacciones de ataque de nucleófilos sobre ésteres se ha demostrado experimentalmente que (1) la velocidad de esta reacción aumenta con el poder electroatrayente de la parte acílica, (2) la velocidad también aumenta con el poder electroatrayente del grupo saliente y (3) que el aumento en la basicidad del nucleófilo atacante (electrodonación) aumenta también la velocidad de reacción.
Los hechos experimentales anteriormente expuestos, indican la existencia, en este tipo de reacciones, de un complejo activado con generación de una cierta carga negativa sobre el sustrato, ya que los grupos que estabilizan cargas negativas aumentan la velocidad de reacción y una disminución de la carga sobre el nucleófilo ya que se aumenta la velocidad de reacción con el aumento de su capacidad electrodonadora. Estos hechos son compatibles con complejos activados como los que se presentan a continuación.
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En el primero de ellos el paso limitante de la reacción sería laformación del intermedio tetraédrico (reacciona para producir el carbonilo expulsando cloruro), mientras que en el segundo el paso limitante es la rotura.
En la tabla siguiente se da una relación de los grupos nucleófilos más importantes en los cadenas laterales de los enzimas, así como el nombre de algunos enzimas con reacciones de ataque nucleófilos y el intermedio de reacción generado.
Nucleófilo
Enzima
Intermedio
- OH (serina)
Serin proteasas Fosfatasas ácidas y alcalinas Fosfoglucomutasas
Los grupos más usados en catálisis nucleófila por las enzimas son el hidroxilo de la serina, como en las serin proteasas, colinesterasas, esterasas, lipasas y fosfatasas ácidas. El grupo imidazol de la histidina se utiliza generalmente como catalizador ácido-base general pero a veces actúa como nucleófilo con el grupo fosforilo en las reacciones de transferencia de fosfatos.
La formación de iminas (bases de Schiff) con los sustratos es un ejemplo claro de cómo la formación de enlaces covalentes con el sustrato y modificación transitoria del mismo, el proceso revierte en una mayor reactividad del sistema. A pH neutro la base de Schiff actúa como un sumidero de electrones estabilizando la formación de cargas negativas (catálisis electrófila) sobre uno de los carbonos.
Esta estrategía la siguen diferentes tipos de enzimas, por ejemplo:
El enzima cataliza la descomposición del acetoacetato en acetona y dióxido de carbono. La reacción no catalizada implica la salida de un ión enolato altamente básico a pH neutro. La estrategia enzimática es la formación de una imina entre el sustrato y un residuo lisina.
Con la eliminación del hidrógeno se genera un intermedio, el cual puede evolucionar de diferentes maneras:
Racemización. Si el protón que ha salido vuelve a entrar en la misma posición puede hacerlo por encima o por debajo del plano.
Transaminación. La adición de un protón al inicial carbono carbonílico produce un intermedio.
b-Descarboxilación. Si el aminoácido tiene un grupo carboxilo, el mecanismo es similar a la que encontramos en la acetoacetato decarboxilasa.
Eliminación del carboxilo en posición a
De una manera similar a los mecanismos que se han visto anteriormente, las enzimas dependientes catalizan la descarboxilación de los aminoácidos, bien para dar la amina como producto final o para generar el aldehído.
Imagen tomada de Google, se respetan los derechos de autor.
La catálisis es el proceso a través del cual se incrementa la velocidad de una reacción química. El proceso de catálisis implica la presencia de una sustancia (catalizador) que, si bien es cierto, es parte del sistema en reacción, la misma se puede llevar a cabo sin la primera.
Clasificación de la Catálisis:
La catálisis se clasifica en función de la naturaleza química del medio de la reacción. A partir del número de fases presentes y de la química implicada es posible agrupar de acuerdo a su aplicación:
El catalizador, por definición, no cambia su concentración durante la reacción de catálisis (la reacción intermedia que reduce la energía de activación. Sin embargo, es posible que sí participe en la reacción global, y se habla entonces de una reacción auto-catalítica.
En biología, los catalizadores más importantes son las enzimas, biomoléculas responsables de regular la velocidad de un gran número de reacciones en los seres vivos, incluyendo todo el metabolismo.
Existen muchas reacciones catalizadas en fase homogénea (líquida y sólida). En general, cada una de ellas debe ser tratada por separado ya que no hay un mecanismo absolutamente general.
No obstante, existen grupos de reacciones que comparten muchas características, y que permiten hablar de algunos tipos de catálisis homogénea. Entre ellos está la catálisis ácido-base, y la catálisis enzimática.
A pesar de la diversidad de mecanismos que se pueden dar en el conjunto de las reacciones catalizadas, existen algunos elementos comunes que conviene tener en cuenta cuando se va a formular un posible mecanismo: el catalizador debe formar algún tipo de compuesto intermedio con alguno de los reactivos, de forma que las etapas iniciales del mecanismo deben corresponder a la formación de estos intermedios. La descomposición de los compuestos intermedios, a su vez, dará lugar a la formación de los productos y regeneración del catalizador, constituyendo las etapas finales. Todas las reacciones catalizadas, en general, participan de este esquema simple, incluyendo aquellas que se catalizan en fase heterogénea.
El conjunto de etapas elementales que constituye el mecanismo se podrá simplificar, en general, aplicando una de las dos aproximaciones habituales en cinética: la aproximación de la etapa limitante, y la aproximación del estado estacionario. En el primer caso se supondrá que alguna ó algunas de las etapas iniciales de formación de complejos catalizador-reactivo serán etapas de equilibrio rápido, mientras que la velocidad de la reacción estará controlada por la velocidad de la reacción que se considere más lenta, y que será alguna ó algunas de las etapas de descomposición de los complejos anteriores, en las que se formarán los productos, mientras se regenera el catalizador.
En el segundo caso, la aproximación del estado estacionario consiste en suponer que los compuestos intermedios reactivo-catalizador son muy reactivos, de forma que las etapas de descomposición para regenerar el catalizador son tan rápidas que la concentración de estos complejos intermedios es muy baja a lo largo de la reacción, y por tanto su concentración prácticamente constante. En ambos casos se ha de procurar que la ecuación diferencial última en que se simplifica el conjunto de ecuaciones diferenciales que constituye el mecanismo, incluya la concentración total de catalizador que se utiliza, de forma que se facilite el trabajo experimental de comprobación de la ecuación.
Un catalizador heterogéneo comúnmente actúa sobre la fase gaseosa de las especies que forman parte de la reacción química. El sólido participa en la creación de especies intermedias de reacción y su influencia no se extiende más allá de un diámetro atómico en la fase gaseosa. Aquel catalizador se caracteriza por: su tamaño, forma física, área superficial, cantidades relativas de sus distintos componentes y volumen y distribución de sus poros.
El catalizador es aquel que proporciona la combinación necesaria de propiedades, como actividad selectiva, facilidad de regeneración y toxicidad, a un costo que sea aceptable y viable para su producción industrial.
Preparación:
Se reduce a una serie de pasos elementales u operaciones unitarias.
Estos catalizadores se pueden clasificar de acuerdo a su procedimiento de preparación que se lleve a cabo para obtenerlos:
Catalizadores a granel o no soportados: En estos se genera la fase activa catalítica como una nueva fase sólida. Su objetivo general es poder obtener un sólido; su procedimiento se basa en precipitar un catalizador sólido a partir de una solución líquida (ej: cristal, floculato o forma de gel). Este producto determina la estructura y las propiedades del catalizador sólido final que se forma como resultado de operaciones sucesivas.
La precipitación de un sólido cristalino se divide en supersaturación (el sistema es inestable y la precipitación ocurre como resultado de cualquier perturbación, la supersaturación ocurre mediante las transformaciones físicas o procesos químicos), nucleación (se forman partículas elementales más pequeñas de la nueva fase y estas son muy estables bajo condiciones de precipitación) y crecimiento (también se le conoce como aglomeración de las partículas, donde se van agrupando hasta poder formar el sólido deseado).
Catalizadores soportados: La fase activa se produce o fija sobre un sólido preexistente, por un proceso que depende intrínsecamente de la superficie que lo soporta. Aquellos soportes deben permitir la producción de una gran forma de partícula, compuesta por pequeños cristales de fase activa, los cuales no se fusionan entre sí, al estar completamente separados del soporte.
Métodos comunes de preparación:
Impregnación: cierta cantidad de volumen de la solución que contiene al precursor de la fase activa, se contacta con el sólido, que en una acción posterior se seca para retirar el disolvente absorbido.
Intercambio iónico: Se intercambia a un ión en una interacción electrostática con la superficie del soporte por otras especies iónicas.
Adsorción: Permite el anclaje controlado de un precursor en el soporte. La adsorción describe el proceso en el cual las especies iónicas son atraídas electrostáticamente por sitios cargados en una superficie sólida.
Deposición-precipitación: Se encuentran dos procesos ( la precipitación de soluciones o de fluidos provenientes de los poros y la interacción con la superficie del soporte.
Los lodos son formados utilizando polvos y sales requeridas en cantidades suficientes para dar la carga deseada. Entonces, se adiciona una solución alcalina para causar una precipitación. Sin embargo, en soluciones a granel (Bulk Solutions) debe evitarse dicha precipitación, ya que ésta puede caer fuera de la superficie del soporte (por ende, de sus poros).
Un método para obtener precipitaciones uniformes, es utilizar la hidrólisis de la urea para obtener OH- en vez de bases convencionales. La urea se disuelve en agua y se descompone lentamente a 90 grados Celsius, permitiendo que la precipitación se produzca uniformemente sobre la superficie del soporte.
Un catalizador homogéneo está presente en la misma fase (líquida, sólida o gaseosa) que los reactivos. Las reacciones en fase gaseosa y las reacciones en solución son reacciones homogéneas. Estas generalmente suelen ser de sustancias líquidas. Sin embargo, por estar todos en una misma fase, es posible presentar dificultades a la hora de separar el catalizador del producto final.
Dentro de este tipo de catálisis tenemos a la catálisis ácida (debida a la presencia del ácido H) y a la catálisis básica (debida a la presencia de la base OH o grupo Hidroxilo).
En la catálisis homogénea se tiene un acceso más fácil al mecanismo de reacción al acelerar el proceso y disminuir la energía de activación en presencia del catalizador. Este proceso suele realizarse a bajas temperaturas debido a la minuciosa selectividad de los reactantes de acuerdo al producto que se quiera obtener. Aunque, LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN NO DEPENDE DIRECTAMENTE DE SUS CONCENTRACIONES SINO DE SUS ACTIVIDADES; es decir, de características tales como: presión, estabilidad térmica, estabilidad química, polaridad, hidrofobicidad, solubilidad, entre otras.
En la siguiente imagen podemos ver las diferencias principales entre el catalizador homogéneo y el catalizador heterogéneo:
Tomado de: https://conceptodefinicion.de/catalizador-homogeneo/
Vemos como los catalizadores se asocian con las moléculas reactivas (también conocidas como sustratos) y provocan una redistribución de sus nubes electrónicas. Esto causa un adelgazamiento en los enlaces que deben ser rotos para que la reacción ocurra.
Cuando el producto es formado, el lugar meta es liberado y se vuelve capaz de repetir todo el proceso con otra molécula de reactivos.
En la siguiente imagen es posible observar las distintas utilidades de emplear la catálisis homogénea en la industria:
