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Curso: Química avanzada (AP Chemistry) > Unidad 9

Lección 3: Ecuación de Arrhenius y mecanismos de reacción
Ciencia
Química avanzada (AP Chemistry)
Cinética
Ecuación de Arrhenius y mecanismos de reacción
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Tipos de catalizadores

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¿Qué es un catalizador? Incluye ejemplos de enzimas, catálisis ácido-base y catálisis heterogénea (o de superficie).

Puntos más importantes

  • Un catalizador es una sustancia que se puede añadir a una reacción para aumentar la velocidad de reacción sin ser consumida en el proceso.
  • Los catalizadores aceleran una reacción al disminuir la energía de activación o al cambiar el mecanismo de reacción.
  • Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores en las reacciones bioquímicas.
  • Los tipos comunes de catalizadores incluyen a las enzimas, los catalizadores ácido-base y los catalizadores heterogéneos (o de superficie).

Introducción: un experimento mental sobre cinética

Tu cerebro funciona a base de la oxidación de la glucosa. La oxidación de glucosa se puede representar a través de la siguiente reacción química balanceada:
C6H12O6(s)+6O2(g)→6CO2(g)+6H2O(l)+calorΔG∘a 25∘C=−2885kJmol
Sin esta reacción, sería mucho más difícil aprender química. Afortunadamente, la reacción de oxidación es termodinámicamente favorable a 25∘C, puesto que ΔG∘<0.
una rebanda de uva oscura, de unos 5 mm de grosor y vista contra una ventana
¿Sabías que la glucosa se aisló por primera vez a partir de las pasas? Imagen de Wikimedia Commons, dominio publico
¿Por qué no lo intentamos? Busca algún alimento que sea rico y azucarado, tal como una pasa. Agrega un poco de gas oxígeno (es decir, exponlo al aire). ¿Qué sucede?
¿Puedes notar que se libera energía calorífica? ¿Que se forma agua y sale una linda nube explosiva de gas de dióxido de carbono?
La probabilidad es que la pasa no haga gran cosa, además de quizás resecarse un poco más. A pesar de que la oxidación de la glucosa es una reacción termodinámicamente favorable, resulta que la velocidad de reacción es muy, muy lenta.
La velocidad de reacción depende de factores tales como:
  • La energía de activación.
  • La temperatura: si calientas la pasa a una temperatura lo suficientemente alta, probablemente prenda fuego y se oxide.
Estos dos factores están estrechamente relacionados: aumentar la temperatura de la reacción incrementa la energía cinética de las moléculas que reaccionan. Esto aumenta la probabilidad de que tengan la energía suficiente para superar la barrera de activación.
¿Cómo soluciona tu cuerpo este problema para la oxidación de la glucosa? Al fin y al cabo tu temperatura corporal no es mucho mayor que 25∘C, así que ¿cómo puede estar sucediendo esta reacción continuamente en tu organismo?
Los sistemas biológicos usan catalizadores para aumentar la velocidad de la reacción de oxidación para que pueda suceder a una velocidad mayor a temperaturas más bajas. En este artículo hablaremos más sobre lo que es un catalizador y de los diferentes tipos de catalizadores.

¿Qué es un catalizador?

Los catalizadores son sustancias que se pueden agregar a una reacción para aumentar la velocidad de reacción sin que se consuman en el proceso. 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.
¡Los catalizadores están en todas partes! Muchos procesos bioquímicos, tales como la oxidación de la glucosa, dependen mucho de las enzimas, proteínas que se comportan como catalizadores.
Otros tipos comunes de catalizadores incluyen a los catalizadores ácido-base y los catalizadores heterogéneos (o de superficie).

Ejemplo: la anhidrasa carbónica

La enzima anhidrasa carbónica cataliza la reacción reversible del dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) para formar ácido carbónico. Cuando la concentración del CO2 en el cuerpo es demasiado alta, la anhidrasa carbónica cataliza la siguiente reacción:
CO2+H2O→H2CO3
Al regular la concentración de ácido carbónico en la sangre y los tejidos, la enzima puede mantener equilibrado el pH en el organismo.
Diagrama de cinta de la anhidrasa carbónica humana II. El ion zinc es visible en el centro de la proteína como una esfera gris oscuro.
Un diagrama de cintas de la anhidrasa carbónica humana II. ¿No es hermosa la química? La esfera gris en el centro de la proteína es un ion de zinc. Imagen de Wikimedia Commons, dominio público
La anhidrasa carbónica es una de las enzimas más rápidas que se conocen, con una velocidad de reacción entre 104 y 106 reacciones por segundo. Esto es aún más sorprendente si se compara con la reacción no catalizada, que tiene una velocidad de ~0.2 reacciones por segundo. ¡¡Eso es un aumento de ~105−107 en la velocidad!!
En la siguiente figura se muestra un diagrama de energía de la reacción entre el dióxido de carbono y el agua para formar ácido carbónico. La reacción con el catalizador se indica con una línea azul, y la reacción sin catalizador se indica con una línea roja.
Diagrama de una reacción catalítica (específicamente, aquella catalizada por la anhidrasa carbónica en presencia de concentraciones altas de dióxido de carbono) que muestra la diferencia en la energía de activación en una reacción con catalizador y sin catalizador. Los materiales de inicio y los productos tienen la misma energía para las reacciones con y sin enzima, por lo que el cambio general en la energía del sistema no cambia.
Diagrama de energía de la reacción entre el dióxido de carbono y el agua para formar ácido carbónico. El agregar el catalizador (línea azul) baja la energía del estado de transición, pero no cambia ΔHrxn comparado con la reacción sin catalizador (línea roja). Imagen de, CC BY-SA 3.0
El catalizador disminuye la energía del estado de transición de la reacción. Puesto que la energía de activación es la diferencia entre la energía del estado de transición y la energía del reactivo, el reducir la energía del estado de transición también disminuye la energía de activación.
Observa que la energía de los reactivos y los productos es la misma para la reacción catalizada y la que no tiene catalizador. Por lo tanto, la energía total liberada durante la reacción, ΔHrxn, no cambia cuando agregas la enzima. Esto enfatiza un punto muy importante: la cinética de una reacción, es decir, la velocidad de reacción, no está directamente relacionada con la termodinámica de la reacción.

Catálisis ácido-base

En la catálisis ácida, el catalizador generalmente es un ion H+. En la catálisis básica, generalmente es un ion OH−.
Un ejemplo de una reacción que se puede catalizar mediante un ácido es la hidrólisis de la sacarosa, también conocida como azúcar común. La sacarosa es una combinación de dos azúcares más sencillos (o monosacáridos): glucosa y fructosa. Al agregar un ácido o una enzima como la sacarasa, se puede descomponer la sacarosa en glucosa y fructosa como se muestra en la siguiente serie de reacciones:
La sacarosa reacciona reversiblemente con el protón de hidrógeno, H+, para formar sacarosa protonada, donde el oxígeno que enlaza las moléculas de glucosa y fructosa está protonada. La sacarosa protonada reacciona reversiblemente con el agua para formar una molécula de glucosa, una de fructosa y H+.
La reacción catalizada por el ácido para formar glucosa y fructosa de la sacarosa, que también se conoce como azúcar común
En el primer paso, la sacarosa reacciona reversiblemente con H+ (en rojo), para formar sacarosa protonada. La sacarosa protonada reacciona reversiblemente con agua (en azul) para producir H+, una molécula de glucosa, y una molécula de fructosa. La reacción general se puede escribir como:
Sucrosa+H2O→catalizador ácidoGlucosa+Fructosa
Puesto que el H+ aparece tanto como reactivo y como producto en cantidades iguales, no se consume durante el curso de la reacción. Por lo tanto, el catalizador no aparece de lado de los reactivos ni de los productos de la reacción general.

Catálisis heterogénea y de superficie

Los catalizadores heterogéneos son catalizadores que se encuentran en una fase distinta que los reactivos. Por ejemplo, el catalizador podría estar en fase sólida mientras que los reactivos están en fase líquida o gaseosa.
Un ejemplo de catalizador heterogéneo es el convertidor catalítico en los autos que usan gasolina o diésel como combustible. Los convertidores catalíticos contienen catalizadores de metales de transición integrados en un soporte de fase sólida. El catalizador de fase sólida entra en contacto con los gases que provienen del caudal de escape del coche, aumentando la velocidad de las reacciones para formar productos menos tóxicos a partir de los contaminantes en el caudal de escape, tales como el monóxido de carbono y combustible sin quemar.
Sección transversal del tubo metálico que muestra el material sólido, de color café claro y poroso, parecido a un panal de abeja: el catalizador de estado sólido.
El catalizador de fase sólida dentro del convertidor catalítico reduce la emisión de gases tóxicos, combustible sin quemar y partículas. El soporte sólido está diseñado para tener una gran superficie para aumentar el área de catalizador disponible para reaccionar con el caudal de escape. Imagen de Oak Ridge National Laboratory en flickr, CC BY-NC-ND 2.0
El convertidor catalítico también es un ejemplo de catálisis de superficie, donde las moléculas de reactivo se absorben en una superficie sólida antes de que reaccionen con el catalizador para formar el producto. La velocidad de una reacción catalizada en superficie aumenta con el área del catalizador que está en contacto con los reactivos. Por lo tanto, el soporte sólido dentro del convertidor catalítico está diseñado para tener una enorme superficie, de ahí la apariencia porosa, como panal de abeja.
Otro ejemplo de catálisis heterogénea y de superficie es el proceso utilizado para hacer plásticos comunes (o polímeros ) tales como el polietileno. Estos catalizadores se denominan catalizadores Ziegler-Natta, y se utilizan para hacer todo, desde envolturas de plástico hasta vasos de yogur. Los catalizadores de metales de transición se integran sobre un soporte sólido antes de reaccionar con los materiales de inicio (también llamados monómeros ) en la fase gaseosa o de solución.
Radiografía que muestra que la cadera derecha (izquierda de la imagen) ha sido reemplazada, donde la esfera de la articulación esfera-cavidad ha sido reemplazada por una cabeza metálica que está insertada en el fémur y la cavidad ha sido sustituida por una concavidad de plástico (transparente en esta radiografía).
¡El polietileno también se utiliza para las articulaciones artificiales! La parte metálica esférica en esta cadera artificial cabe dentro de una cavidad de polietileno, que se ve transparente en la radiografía. Imagen de Wikimedia Commons, dominio público
A pesar de que los reactivos están en fase gaseosa, el polímero producto suele ser un sólido. Me imagino que esta reacción es análoga a preparar palomitas de maíz: el grano de maíz sin reventar es el catalizador en el soporte sólido. Los monómeros en estado gaseoso reaccionan para formar capas de polímero producto sólido que se acumulan en la superficie del catalizador, que al final se convierte en una "palomita" de polímero. Química. ¡Es como magia!

Resumen

  • Un catalizador es una sustancia que se puede añadir a una reacción para aumentar la velocidad de reacción sin ser consumida en el proceso.
  • Los catalizadores aceleran una reacción al disminuir la energía de activación o al cambiar el mecanismo de reacción.
  • Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores en las reacciones bioquímicas.
  • Los tipos comunes de catalizadores incluyen a las enzimas, los catalizadores ácido-base y los catalizadores heterogéneos (o de superficie).

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