Catálisis – Definición, Mecanismo, Tipos, Características

La mayoría de las reacciones naturales y artificiales tardan mucho tiempo en completarse. Se debe agregar un material conocido como catalizador para acelerar el proceso. Como resultado, la catálisis es el proceso de acelerar una reacción. Echemos un vistazo más de cerca a la catálisis, los catalizadores y la importancia de la química de la superficie en el proceso.

¿Qué es la Catálisis?

Un catalizador es una sustancia que puede acelerar y ralentizar una reacción química sin consumirse al final de la reacción, lo que se conoce como catálisis.

La catálisis es el aumento en la velocidad de una reacción química causada por la inclusión de un catalizador, que no se consume en la reacción catalizada y puede funcionar varias veces. Este efecto normalmente se puede lograr con solo una pequeña cantidad de catalizador. El catalizador en los procesos catalizados normalmente reacciona para formar un intermediario transitorio, que luego regenera el catalizador original en un proceso cíclico.

Mecanismo de Catálisis

La energía libre total de los reactivos a los productos no varía en presencia de un catalizador ya que se requiere menos energía libre para alcanzar el estado de transición. Un catalizador se puede utilizar en una serie de reacciones químicas diferentes. La adición de inhibidores (que limitan la actividad catalítica) o promotores (que aumentan la actividad catalítica) puede cambiar el efecto de un catalizador (que aumenta la actividad y también afecta la temperatura de la reacción).

A la misma temperatura y para la misma concentración de reactivo, las reacciones catalizadas tienen una energía de activación más baja (energía libre de activación que limita la velocidad) que las reacciones no catalizadas, lo que resulta en una velocidad de reacción más rápida. La velocidad de la reacción, como cualquier otra reacción química, está determinada por la frecuencia con la que los reactivos entran en contacto en la fase determinante de la velocidad.

Típicamente, el catalizador está involucrado en la etapa más lenta. La velocidad de reacción está determinada por la cantidad de catalizador utilizado. Aunque los catalizadores no se consumen durante la reacción, los procesos posteriores pueden inhibirlos, desactivarlos o destruirlos.

Tipos de Catálisis

Los siguientes tipos de reacciones catalíticas se pueden clasificar aproximadamente.

Catálisis Homogénea: Cuando los reactivos y el catalizador están en fase entre sí (es decir, sólido, líquido o gas). Se afirma que la catálisis es homogénea. 

A continuación se enumeran algunos ejemplos de catálisis homogénea.

• En el método de la cámara de plomo, el dirust de azufre se oxida a trirust de azufre con oxígeno en presencia de rusts de nitrógeno como catalizador.

2SO ₂ (g) + O ₂ (g) → 2SO ₃ (g)    (En presencia de NO(g))

Los reactivos, productos y catalizadores están todos en la misma fase o estado gaseoso.

• La hidrólisis del azúcar es catalizada por los iones H+ producidos por el ácido sulfúrico.

C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ (l) + H ₂ O(l) → C ₆ H ₁₂ O ₆ (l) + C ₂ H ₁₂ O ₆ (l)     (En presencia de H ₂ SO ₄ (l))  

Catálisis heterogénea: La catálisis heterogénea es un proceso catalítico en el que los reactivos y los catalizadores se encuentran en varias fases..

Los siguientes son algunos ejemplos de catálisis heterogénea:

• En el método de contacto para la síntesis de ácido sulfúrico, oxidación de dirust de azufre en trirust de azufre con platino metálico o pentrust de vanadio como catalizador. Mientras que los reactivos son gaseosos, el catalizador es sólido.

SO ₂ (g) + O ₂ (g) → 2SO ₃ (g)          (En presencia de Pt(s))

• En el proceso de Haber, el nitrógeno y el hidrógeno se combinan para producir amoníaco en presencia de hierro finamente dividido.

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) → 2NH ₃ (g)         (En presencia de Fe(s))

• En el procedimiento de Ostwald, el amoníaco se convierte en rust nítrico en presencia de una gasa de platino como catalizador.

4NH ₃ (g) + 5O ₂ (g) → 4NO(g) + 6H ₂ (g)           (En presencia de Pt(s))

Catálisis positiva: cuando una sustancia extraña acelera el ritmo de una reacción, se denomina catalizador positivo y el fenómeno se conoce como catalizador positivo.

Los siguientes son algunos ejemplos de catálisis positiva:

• Descomposición de H ₂ O ₂ en presencia de platino coloidal.

2H ₂ O ₂ (l) → 2H ₂ O(l) + O ₂ (g)            (En presencia de Pt)

Catálisis negativa: ciertas sustancias, cuando se agregan a la mezcla de reacción, reducen la velocidad de la reacción en lugar de acelerarla. En este proceso se utilizan catalizadores negativos o inhibidores, lo que se conoce como catálisis negativa.

Los siguientes son algunos ejemplos de catálisis negativa:

• Si se agrega algo de alcohol al cloroformo, se retarda la oxidación por el aire.

2CHCl ₃ (l) +O ₂ (g) → 2COCl ₂ (g) + 2HCl(g)         (En presencia de Alcohol(l)) 

Auto-Catálisis:

Uno de los productos funciona como catalizador en algunos procesos. La reacción es lenta al principio, pero después de que se forman los productos, la velocidad de reacción se acelera. Auto-catálisis es el término para este tipo de evento.

A continuación se enumeran algunos ejemplos de catálisis homogénea.

• Cuando se vierte ácido nítrico sobre cobre, la reacción es lenta al principio, pero se acelera rápidamente debido a la creación de ácido nitroso, que funciona como un autocatalizador durante el proceso.

Catálisis ácido-base:

Los iones H ⁺ u OH ^– , según Arrhenius y Ostwald, funcionan como catalizadores.

• Conversión de acetona en alcohol de diacetona,

CH ₃ COCH ₃ (l) +CH ₃ COCH ₃ (l) → CH ₃ COCH ₂ .C(CH ₃ ) ₂ OH(l)             (En presencia de OH ^– )

• Descomposición de nitramida-

NH ₂ NO ₂ (l) → N ₂ O(g) + H ₂ O(l)                   (En presencia de OH ^– )

Características de la Catálisis

Las siguientes son las propiedades que comparten la mayoría de las reacciones catalíticas.

1. Al final de la reacción, la composición química y de masa de un catalizador permanece sin cambios.
2. El catalizador no puede iniciar la reacción.
3. En la mayoría de los casos, el catalizador es bastante específico.
4. El catalizador no tiene capacidad para alterar el estado de equilibrio.
5. Venenos catalíticos.
6. Promotores catalíticos.
7. Los cambios de temperatura afectan el ritmo de las reacciones catalíticas, tal como lo hacen en ausencia de un catalizador.

Características importantes de la catálisis sólida 

• Actividad: La actividad del catalizador se refiere a la rapidez con la que pueden acelerar las reacciones químicas. En algunas reacciones, la tasa de aceleración puede llegar a 10 ¹⁰ veces. En presencia de platino como catalizador, la reacción entre H ₂ y O ₂ para generar H ₂ O, por ejemplo, se produce con una violencia explosiva. El H ₂ y el O ₂ pueden mantenerse indefinidamente sin sufrir ninguna reacción en ausencia de un catalizador.
• Selectividad: ¿Es posible que los catalizadores dirijan reacciones para producir ciertos productos (excluyendo otros).

Teorías de la Catálisis

• Teoría de Colisión de Catálisis Homogénea: Una reacción ocurre como resultado de colisiones efectivas entre las moléculas que reaccionan, según la teoría de colisión. Las moléculas deben tener un nivel mínimo de energía conocido como energía de activación (E _a ​​) para poder colisionar de manera efectiva. Después de la colisión, las moléculas forman un complejo activado, que luego se disocia para revelar las moléculas del producto. El catalizador crea una nueva vía que requiere menos energía de activación.
• Teoría de la adsorción de la catálisis heterogénea: la adsorción de los reactivos en la superficie del catalizador suele ser la forma en que funcionan las reacciones catalíticas heterogéneas. La teoría de la difusión de la catálisis se puede utilizar para describir el mecanismo de tales reacciones superficiales. Para procesos gaseosos sobre una superficie sólida, esta teoría propone la siguiente secuencia.
  1. Los reactivos se difunden a la superficie a través de la difusión.
  2. Adsorción superficial de moléculas reactivas.
  3. En la superficie, hay una reacción química.
  4. Los productos son desorción de la superficie.
  5. Los productos se difunden lejos de la superficie. Paso 3] determina la velocidad de reacción en general. Los pasos 2] y 4], por otro lado, pueden determinar la velocidad.

Ventajas de la teoría de adsorción de modos: debido a que el catalizador se regenera repetidamente, una pequeña cantidad del catalizador es suficiente. El catalizador participa en el proceso pero se crea al final del mismo sin cambios en su masa y composición química.

Zeolitas (catálisis de forma selectiva)

Las zeolitas son aluminosilicatos de fórmula general, M _n [AlO ₂ ] _x .(SiO ₂ ) _y .mH ₂ O, donde, M puede ser un catión simple como Na, K o Ca, n es la carga del catión simple, m es el número de moléculas de agua de cristalización.

Tienen una jaula β, que parece un panal. La forma y el tamaño de las moléculas del reactivo y del producto influyen en los procesos catalizados por las zeolitas. Esta es la razón por la que estas reacciones se conocen como catálisis selectiva de forma.

En la industria petroquímica, las zeolitas se utilizan comúnmente como catalizadores para el craqueo y la isomerización de hidrocarburos. El catalizador de zeolita ZSM-5 es un catalizador de zeolita ampliamente utilizado en el sector del petróleo (tamiz de zeolita de porosidad molecular 5). Transforma los alcoholes directamente en gasolina deshidratándolos primero, dando como resultado una mezcla de hidrocarburos. En el ablandamiento del agua dura, las zeolitas hidratadas se utilizan como ‘intercambiadores de iones’.

Ejemplos de preguntas 

Pregunta 1: Defina Catálisis.

Responder :

“Un catalizador es una sustancia que puede acelerar y retardar una reacción química sin consumirse al final de la reacción, lo que se conoce como catálisis”.

Pregunta 2: Explique las características de la catálisis.

Responder :

Las siguientes son las propiedades que comparten la mayoría de las reacciones catalíticas.

1. Al final de la reacción, la masa y la composición química de un catalizador permanecen sin cambios.
2. El catalizador no puede iniciar la reacción.
3. En la mayoría de los casos, el catalizador es bastante específico.
4. El catalizador no tiene capacidad para alterar el estado de equilibrio.
5. Venenos catalíticos.
6. Promotores catalíticos.
7. Los cambios de temperatura afectan el ritmo de las reacciones catalíticas, tal como lo hacen en ausencia de un catalizador.

Pregunta 3: Explique las zeolitas (catálisis selectiva de forma).

Responder :

Las zeolitas son alumino-silicatos de fórmula general, Mn[AlO ₂ ] _x .(SiO ₂ ) _y .mH ₂ O, donde M puede ser un catión simple como Na, K o Ca, n es la carga del catión simple, m es el número de moléculas de agua de cristalización.

Tienen una jaula β, que parece un panal. La forma y el tamaño de las moléculas del reactivo y del producto influyen en los procesos catalizados por las zeolitas. Esta es la razón por la que estas reacciones se denominan catálisis selectiva de forma.

Pregunta 4: Explique la autocatálisis.

Responder :

Uno de los productos funciona como catalizador en algunos procesos. La reacción es lenta al principio, pero después de que se forman los productos, la velocidad de reacción se acelera. Auto-catálisis es el término para este tipo de evento.

A continuación se enumeran algunos ejemplos de catálisis homogénea.

• Cuando se vierte ácido nítrico sobre cobre, la reacción es lenta al principio, pero se acelera rápidamente debido a la creación de ácido nitroso, que funciona como un autocatalizador durante el proceso.