Cinética química: catálisis

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1 CINÉTICA QUÍMICA: CATALIZADORES

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CINÉTICA QUÍMICA: CATALIZADORES

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Catalizadores• Intervienen en alguna etapa de la reacción pero no se

modifican pues se recuperan al final y no aparece en la ecuación global ajustada.

• Modifican el mecanismo y por tanto Ea.

• No modifican las constantes de los equilibrios. • Pueden ser:

– Positivos: hacen que “v” pues consiguen que Ea.

– Negativos: hacen que “v” pues consiguen que Ea.

• Los catalizadores también pueden clasificarse en:– Homogéneos: en la misma fase que los reactivos.– Heterogéneos: se encuentra en distinta fase.

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Gráfica de perfil de la reacción con y sin catalizador

H

EA sin catalizador

En

ergí

a

coordenada de reacción

reactivos

productos

EA con catalizador

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4 Ejemplo: Teniendo en

cuenta la gráfica adjunta:a)a) Indique si la reacción es exotérmica o endotérmica;b)b) Represente el valor de Hde reacción; c)c) Represente la curva de reacción al añadir un catalizador positivo. d)d) ¿Qué efectos produce el hecho de añadir un catalizador positivo?

a)a) Es exotérmica ya que Eproductos < Ereactivos.

d)d) Disminuye la Eactivación y por tanto exite una mayor cantidad de reactivos con energía suficiente para reaccionar; por tanto aumentará la velocidad.

reactivosreactivos

productosproductos

coordenada de reaccióncoordenada de reacción

Ene

rgía

Ene

rgíaCuestión

Selectividad (Junio 98)

Cuestión Selectividad (Junio 98)

HH

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Utilización de catalizadores en procesos de interés industrial.

• La mayoría de los procesos industriales utilizan catalizadores sólidos.

• Estos sólidos, de composición compleja.• Poseen tres componentes elementales:

– la fase activa– el soporte– el promotor.

• La fase activa es la responsable de la actividad catalítica.– Puede ser una sola fase química o un conjunto de ellas.– Puede ella sola puede llevar a cabo la reacción en las

condiciones establecidas.– Puede tener un costo muy elevado– Puede ser muy sensible a la temperatura.

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Utilización de catalizadores en procesos de interés industrial (cont).

• El soporte es la matriz sobre la cual se deposita la fase activa y el que permite optimizar sus propiedades catalíticas.– Dispersa, estabilizarla y le proporcionar buenas

propiedades mecánicas a la “fase activa”.– Puede ser poroso y por lo tanto presentar un área

superficial por gramo elevada.• El promotor es aquella sustancia que incorporada a la

fase activa o al soporte en pequeñas proporciones.– Permite mejorar las características de un catalizador en

cualquiera de sus funciones de actividad, selectividad o estabilidad.

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Catálisis Heterogénea

• Tipos de catalizadores heterogenos:– Metales conductores, que deben cumplir los

siguientes requisitos:• Soportar altas temperaturas.

• Ser inertes.

• Buena tendencia a la quimisorción

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Catálisis Heterogénea (Continuación)

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• Tipos de catalizadores heterogenos (continuación):– Metales conductores como los de transición:

Fe, Ni, Pt, Pd, Cu, Ag y Rh. Se emplean en procesos industriales de hidrogenación y deshidrogenación.

• Síntesis de amoniaco por el método de Haber-Bosch:

N2 + 3 H2 --- Fe, K2O, Al2O3, 450ºC, 250 atm 2 NH3

• Síntesis de ácido nítrico por el método Ostwald:4 NH3 + 5 O2 – Pt (90%) – Rh (10%), 800 ºC 4 NO + 6 H2O

NO + O2 NO2 ; NO2 + H2O HNO2 + HNO3

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Catálisis Heterogénea (Continuación)

– Metales conductores como los de transición (Continuación):

• Síntesis de ácido sulfúrico por el método de contacto:

• 2 FeS2 + 11/2 O2 4 SO2 + Fe2O3;

• 2 SO2 + O2 – Pt, 450ºC 2 SO3; SO3 + H2O H2SO4

• Catalizador automovil:

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Catálisis Heterogénea (Continuación)

• En los catalizadores de los coches hay una mezcla de Pt y Rh sobre las que se producen las siguientes reacciones:

• 2 CO (g) + O2 (g) 2 CO2 (g)

• 2 NO (g) + 2 CO (g) N2 (g) + 2 CO2 (g)

• 2 C2H6 (g) + 7 O2 (g) 4 CO2 (g) + 6 H2O (g)

• con objeto de eliminar los gases tóxicos CO y NO, así como hidrocarburos que no se hayan quemado del todo.

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Catalizador de un coche.

Tomado de: http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi99/autos-y-polucion/cataliza.htm

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Catálisis Heterogénea (Continuación)

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– Sólidos ácidos: zeolitas. Se usan en operaciones de la industria petroquímica: craqueo, isomerización, alquilación o polimerización.

Existen zeolitas naturales formadas por Si, O y Al. Su importancia radica en la estructura constituida por una red de canales, lo que les hace ser catalizadores muy selectivos: solo catalizan procesos donde las moléculas, por su forma y tamaño, puedan moverse por los canales. Existen también zeolitas sintéticas.

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Catálisis enzimática

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LAS ENZIMAS son proteínas que se comportan como catalizadores muy potentes y eficaces de las reacciones químicas de los sistemas biológicos.

La CATÁLISIS ENZIMÁTICA es esencial para los sistemas vivos.

La mayoría de las R.Q. ocurrirían muy lento en condiciones biológicamente significativas.

Hace posible que en condiciones fisiológicas tengan lugar reacciones que sin catalizador requerirían condiciones extremas de presión, temperatura o pH.

Las biomoléculas son muy estables a pH neutro, temperatura suave y ambiente acuoso

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Características

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Como catalizadores, los enzimas actúan en pequeña

cantidad y se recuperan indefinidamente.

No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente

desfavorables, sino que solamente aceleran las que

espontáneamente podrían producirse.

Los enzimas son catalizadores específicos: cada enzima

cataliza un solo tipo de reacción, y casi siempre actúa sobre

un único sustrato o sobre un grupo muy reducido de ellos.

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¿Cómo actúan las enzimas como catalizadores?

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¿Cómo actúan las enzimas como catalizadores?

Sitio Activo

1.- El enzima y su sustrato

2.- Unión al centro activo

3.- Formación de productos

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¿Cómo actúan las enzimas como catalizadores?

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Cinética de la Catálisis Enzimática

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Cinética de Michaelis-Menten

1º etapa se forma el complejo enzima-sustrato.

2º etapa, el complejo enzima-sustrato da lugar a la formación

del producto, liberando el enzima libre:

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Quimisorción:

• En ella las moléculas adsorbidas están unidas a los átomos de la superficie del sólido por uniones químicas, auténticos enlaces. Su formación debilita los enlaces internos de la molécula adsorbida y favorece posteriores reacciones química.

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