3- Catálisis Homogénea UT 1

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  • F.C.A.I. U.N. CUYO

    Catlisis Homognea 1

    FACULTAD DE CIENCIAS APLICADAS A LA INDUSTRIA UNIVERSIDAD NACIONAL DE CUYO

    Carrera: Ingeniera Qumica con orientaciones: Petroqumica y Mineralurgia. CTEDRA: CATLISIS

    Unidad Temtica N 1 - REACCIONES CATALTICAS CATLISIS HOMOGNEA

    1.1 Fundamentos de catlisis. Catalizadores. Naturaleza y mecanismos.

    1.2 Catlisis enzimtica: Generalidades. Catlisis enzimtica. Inhibidores de enzimas

    1.3 Catlisis homognea. Catlisis en fase gaseosa.

    1.4 Catlisis en fase lquida: Esterificacin e hidrlisis de steres..

    1.5 Catlisis cido base: Generalidades. Esterificacin de cidos y alcoholes. Halogenacin en grupos carbonilos. Saponificacin de steres..

    1.6 Polimerizacin de olefinas. Inversin de azcares. Mutarrotacin de la glucosa. Disociacin del perxido de hidrgeno.

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    Catlisis Homognea 2

    Catlisis

    De acuerdo con las condiciones en las que se llevan a cabo las reacciones es posible

    separar el fenmeno cataltico en tres dominios independientes.

    a) Catlisis homognea: Donde todas las especies cinticamente activas, comprendido el catalizador, constituyen una misma fase, con una velocidad de reaccin similar en todos los puntos. Se considera tambin en esta rama el caso en que uno de los reactivos es un gas y que los otros, con el catalizador, pertenecen a una misma fase lquida. Debido a la solubilidad del gas la transformacin se produce en todo el lquido y no en la interfaces gas-liquido. La naturaleza de los productos tampoco influye. En este tipo de catlisis las velocidades son generalmente elevadas, los venenos inofensivos y la posibilidad de estudio de mecanismos de reaccin ms fcil para poder aislar las especies intermedias.

    El catalizador es una substancia que influye sobre la velocidad de reaccin y puede alterarse o no durante el proceso. En el caso de que se altere, la substancia se considera como catalizador solamente si no existe relacin estequiomtrica total entre su peso y el peso de la substancia transformada. Muchas veces, an las trazas de catalizador son extremadamente eficaces. La relacin de utilidad, o nmero de molculas convertidas por molcula de catalizador, puede ser del orden de millones.

    En la catlisis homognea se tiene un acceso ms fcil al mecanismo de reaccin y por consecuencia se puede dominar mejor el proceso cataltico correspondiente. Otra ventaja no menos despreciable de este tipo de catlisis es la ausencia de efectos de envenenamiento tan frecuentes en el caso de la catlisis heterognea, y que obliga a tratamientos costosos de eliminacin de impurezas.

    Uno de los inconvenientes de la catlisis homognea es la dificultad de separar el catalizador del medio reaccionante, lo que presenta un mayor costo que el de los procesos heterogneos convencionales. En el cuadro siguiente realizamos una comparacin:

    b) Catlisis heterognea: El catalizador es insoluble en los sistemas qumicos en los

    cuales provoca la transformacin y forma una fase distinta muy a menudo slida. Existen dos fases y una superficie de contacto. La reaccin se lleva a cabo en esta superficie de contacto y el fluido es una reserva de molculas por transformar o que ya reaccionaron.

    Como la reaccin qumica se pasa en dos dimensiones, al menos uno de los reactivos debe ser adsorbido qumicamente. La catlisis heterognea est limitada al estudio de reacciones provocadas en las molculas por el campo de fuerza del slido y se limita a algunos ngstrom. Debe hacerse notar que la mayor parte de catalizadores slidos son metales, xidos, sulfuros metlicos o sales (sulfatos silicato, fosfatos) con alta energa reticular.

    c) Catlisis enzimtica: Que recibe su nombre del catalizador, que es una mezcla o

    molcula orgnica que generalmente contiene una protena que forma un coloide lioflico.

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    Catlisis Homognea 3

    Dada la naturaleza particular del catalizador, la catlisis enzimtica no pertenece clara y definitivamente al dominio de la catlisis homognea. Est caracterizada por selectividad muy elevadas y bajas temperaturas.

    Se puede afirmar con base, que sin la catlisis enzimtica no sera posible la vida. Es suficiente decir que el proceso base de la actividad vital, la asimilacin del CO2 por la clorofila de las plantas es un proceso fotoqumico y cataltico. La transformacin por las clulas, de albminas, grasas carbohidratos as como la sntesis de otras molculas son catalticas. La formacin de las cadenas de RNA, que es la base del cdigo gentico depende de la presencia de ciertas enzimas.

    1. Catlisis Enzimtica

    La vida depende de la existencia de unos catalizadores muy potentes y altamente especficos denominados enzimas. De hecho, todos los procesos metablicos estn catalizados por enzimas. La tecnologa enzimtica tiene como objetivo la superacin de todos aquellos inconvenientes que parecen retrasar la aplicacin de las enzimas en estos procesos a escala industrial, las enzimas son protenas cuya funcin biolgica es catalizar las reacciones que suceden en las clulas. Esta rea tiene aplicaciones desde tiempos remotos como la fermentacin, actualmente en diferentes industrias a diferentes niveles, ya que implica la utilizacin de sistemas enzimticos.

    La funcin principal de las enzimas es actuar como catalizadores de las reacciones de los seres vivos. Todas las reacciones qumicas tienen lugar porque cierta fraccin de la poblacin de molculas reactantes, poseen la suficiente energa como para alcanzar un estado activado, llamado estado de transicin, en el que es muy elevada la probabilidad de que se rompan o se establezcan enlaces para formar los productos.

    Existen dos mtodos generales, mediante los cuales puede acelerarse la velocidad de una reaccin qumica. Uno de ellos es la elevacin de la temperatura (ya que provoca un incremento en la velocidad de las molculas); el otro consiste en utilizar un catalizador. El catalizador se combina con los reactivos de modo transitorio activndolos, produciendo un estado de transicin de menor energa que en la reaccin no catalizada. Una vez formados los productos el catalizador queda libre, y puede ser de nuevo utilizado.

    Una caracterstica comn de las enzimas es su alto poder cataltico que se debe en parte a su alta especificidad por los sustratos, la cul puede ser absoluta para un nico sustrato, o relativa cuando permite la reaccin de compuestos diferentes pero con una estructura similar. La especificidad de las enzimas es muy importante para los seres vivos. Cada clula contiene varios cientos de miles de compuestos diferentes, y existen muchas combinaciones posibles entre las reacciones qumicas que estos compuestos pueden experimentar. Las enzimas cuidan de que tengan lugar, de manera especfica, aquellas reacciones que son esenciales e indispensables para que la clula viva.

    Adems de la especificidad y la alta eficiencia, otras dos caractersticas que diferencian a las enzimas de los catalizadores qumicos, son que: las enzimas pueden saturarse por sustrato y tienen capacidad para regular su actividad.

    Caractersticas de las Enzimas Las enzimas presentan una serie de caractersticas notables como las siguientes:

    Son protenas que catalizan al reducir la barrera energtica de las reacciones qumicas.

    Influyen solo en la velocidad de reaccin sin alterar el estado de equilibrio.

    Actan en pequeas cantidades.

    Forman un complejo reversible con el sustrato.

    No se consumen en la reaccin, pudiendo actuar una y otra ves.

    Muestran especificidad por el sustrato.

    Su produccin est directamente controlada por genes.

    Son solubles en agua y en alcoholes

    Son precipitadas por sulfato amnico y alcohol concentrado

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    Tienen carcter coloidal

    Son fcilmente absorbidos

    Son destruidos a 100 C y anulada su accin a 0 C. su mayor actividad se encuentra entre 37 y 45 C

    El pH influye notablemente en la accin de stas, en general cada una tendr un rango de pH en el cual se encuentra activa

    La actividad cataltica de las enzimas es mucho mayor que los catalizadores inorgnicos, por lo que podemos decir, que un enzima reduce ms eficientemente la energa de activacin (Ea) de una reaccin que un catalizador inorgnico, lo que permite que una reaccin se realice a menor temperatura:

    Reaccin H2 O2 H2 O + O2 Ea (Kcal/mol)

    a) El perxido de hidrgeno se descompone en: 18

    b) El hierro cataltico (Fe) realiza la reaccin: 13

    c) El platino (Pt) cataliza la reaccin : 12

    d) La catalasa una enzima heptica la realiza: 5

    Nomenclatura y Clasificacin de las Enzimas Muchas enzimas han sido designadas aadiendo el sufijo -asa al nombre del sustrato,

    es decir, la molcula sobre la cul ejerce su actividad cataltica. Por ejemplo la ureasa cataliza la hidrlisis de la urea, y la arginasa cataliza la hidrlisis de la arginina (a urea y ornitina). Otras enzimas han recibido su nombre en funcin del tipo de reaccin que catalizan, as la Gliceraldehdo-3P-deshidrogenasa cataliza la oxidacin del la Gliceraldehdo-3P.

    Sin embargo con el descubrimiento de nuevas enzimas esta nomenclatura resulta a veces confusa. Se subdividen de acuerdo al grupo funcional sobre el que actan en:

    Los nombres propuestos e