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Lecciones de química
Curso: Lecciones de química > Unidad 17
Lección 3: Ecuación de Arrhenius y mecanismos de reacción- Teoría de las colisiones
- Ecuación de Arrhenius
- Formas de la ecuación de Arrhenius
- El uso de la ecuación de Arrhenius
- Teoría de colisiones y la distribución de Maxwell-Boltzmann
- Reacciones elementales
- Mecanismo de reacción y la ley de velocidad
- Mecanismo de reacción y la ley de velocidad
- La aproximación pre-equilibrio
- Perfiles de energía de reacciones de pasos múltiples
- Catalizadores
- Tipos de catalizadores
- Tipos de catalizadores
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Tipos de catalizadores
¿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:
Sin esta reacción, sería mucho más difícil aprender química. Afortunadamente, la reacción de oxidación es termodinámicamente favorable a 25, degrees, start text, C, end text, puesto que delta, start text, G, end text, degrees, is less than, 0.
¿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, degrees, start text, C, end text, 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:
- reduciendo la energía del estado de transición, así disminuyendo la energía de activación, y/o
- 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 left parenthesis, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript, right parenthesis y agua left parenthesis, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, right parenthesis para formar ácido carbónico. Cuando la concentración del
start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript en el cuerpo es demasiado alta, la anhidrasa carbónica cataliza la siguiente reacción:
Al regular la concentración de ácido carbónico en la sangre y los tejidos, la enzima puede mantener equilibrado el start text, p, H, end text en el organismo.
La anhidrasa carbónica es una de las enzimas más rápidas que se conocen, con una velocidad de reacción entre 10, start superscript, 4, end superscript y 10, start superscript, 6, end superscript reacciones por segundo. Esto es aún más sorprendente si se compara con la reacción no catalizada, que tiene una velocidad de ~0, point, 2 reacciones por segundo. ¡¡Eso es un aumento de ~10, start superscript, 5, end superscript, minus, 10, start superscript, 7, end superscript 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.
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, delta, start text, H, end text, start subscript, start text, r, x, n, end text, end subscript, 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 start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript. En la catálisis básica, generalmente es un ion start text, O, H, end text, start superscript, minus, end superscript.
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:
En el primer paso, la sacarosa reacciona reversiblemente con start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript (en rojo), para formar sacarosa protonada. La sacarosa protonada reacciona reversiblemente con agua (en azul) para producir start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, una molécula de glucosa, y una molécula de fructosa. La reacción general se puede escribir como:
Puesto que el start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript 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.
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.
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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¿Hay catalizadores que vengan de la naturaleza, o todos son hechos en laboratorio?(4 votos)- las enzimas son catalizadores que podemos encontrar en las reacciones que ocurren en nuestro cuerpo(5 votos)
- ¿como se forman las enzimas?(1 voto)
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química?(1 voto)