U.D. 5: “CINÉTICA QUÍMICA”

APARTADO 11 - TIPOS DE CATÁLISIS

QUÍMICA. 2º BACHILLERATO. PROFESOR: CARLOS M. ARTEAGA

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QUÍMICA. 2º DE BACHILLERATO PROFESOR: CARLOS M. ARTEAGA

UNIDAD DIDÁCTICA 5: CINÉTICA QUÍMICA

11.- TIPOS DE CATÁLISIS

ESTUDIA / APRENDE

Qué es y cómo actúa un catalizador.

En qué consisten las catálisis: Homogénea, Heterogénea y Enzimática.

Un catalizador es una sustancia que afecta a la velocidad de una reacción química y, sin embargo, no se consume en el transcurso de la misma. Generalmente, se reserva el término catalizador para las sustancias que aceleran la velocidad de reacción. Si una sustancia disminuye la velocidad de reacción se la denomina inhibidor o catalizador negativo. La acción de un catalizador recibe el nombre de catálisis.

Un ejemplo de catálisis es la descomposición del agua oxigenada:

H2O2 (aq) H2O (l) + 1/2 O2 (g) Esta reacción transcurre lentamente, en condiciones normales. Sin embargo, si se añade un poco de dióxido de manganeso, ocurre casi instantáneamente. Todo el MnO2 se recupera una vez terminada la reacción. El MnO2 actúa, pues, como un catalizador de la reacción anterior. El catalizador no aparece en la ecuación neta de la reacción, ya que se regenera en el transcurso de la misma. Aunque no se consumen en la reacción, los catalizadores desempeñan un papel activo: cambian el mecanismo de la reacción. El catalizador proporciona un camino de reacción alternativo, cuya energía de activación es menor que la correspondiente a la reacción sin catalizar. Un catalizador aumenta la velocidad de reacción debido a que disminuye la energía de activación.

Es importante observar que los catalizadores no modifican H ni G en las reacciones químicas sobre las que actúan. Tampoco afectan a la espontaneidad de la reacción. En la figura de la derecha puedes observar el esquema del transcurso de una reacción química con y sin catalizador. Con catalizador la velocidad aumenta debido a la disminución de la energía de activación.

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CLASES DE CATÁLISIS

CATÁLISIS HOMOGÉNEA

Cuando un catalizador se encuentra en la misma fase que los reactivos, se habla de catálisis homogénea. Al estar en la misma fase posibilita la formación de complejos activados distintos y con menor energía de activación que los que se forman en la reacción sin la presencia del catalizador.

En este tipo de catálisis:

Cuando los reactivos son líquidos, el catalizador tiene que ser también líquido o, en su caso, un sólido disuelto en un líquido.

Cuando los reactivos son gases, el catalizador tiene que ser un gas.

Un ejemplo de catálisis homogénea la podemos observar en la descomposición de peróxido de hidrógeno formándose agua y oxígeno. Esta es una reacción muy lenta, pero con la presencia de bromo (líquido) aumenta considerablemente su rapidez.

2Br (l)

2 2 2 2H O (l) H O(l) O (g)

CATÁLISIS HETEROGÉNEA

En la catálisis heterogénea los reactivos y el catalizador se encuentran en distinta fase.

En la catálisis heterogénea las moléculas reaccionantes (generalmente, gases) se adsorben en la superficie del catalizador (generalmente un sólido con gran superficie de contacto) y la reacción ocurre sobre esa superficie relajando y debilitando los enlaces de los reactivos y favoreciendo la formación de enlaces nuevos.

EJEMPLOS: Formación de dióxido de carbono a partir de monóxido de carbono y oxígeno con platino como catalizador:

Pt

2 22CO g O g CO g 2

En la figura se representa la reacción entre el monóxido de carbono y el monóxido de nitrógeno catalizada por rodio, formándose dióxido de carbono y nitrógeno. El rodio está en estado sólido y las moléculas de los gases son adsorbidas en su superficie (a). Los enlaces se debilitan y se van formando las nuevas moléculas (b) y (c):

Rh

2 2CO g NO g CO g ½ N g

CATÁLISIS ENZIMÁTICA

La catálisis enzimática se produce en las reacciones bioquímicas. A las sustancias que catalizan las reacciones bioquímicas se las denomina enzimas. El elevado número de complejas reacciones químicas que tienen lugar en nuestro cuerpo pueden realizarse a la temperatura relativamente baja del organismo, 37 0C, gracias a la acción de las enzimas, que son proteínas de elevada masa molecular.

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EJERCICIO RESUELTO

El azúcar arde en el aire a una temperatura del orden de los 500 0C y produce agua y dióxido de carbono. Explica cómo los seres vivos pueden metabolizar (quemar en lenguaje de biólogo) azúcar a 37 0C para producir los mismos productos.

Los seres vivos emplean unos catalizadores llamados enzimas que proporcionan un camino de mucha menor energía de activación para conseguir la oxidación del azúcar.

El balance de energía es exactamente el mismo en ambos casos ya que los catalizadores no modifican los aspectos termodinámicos de la reacción.

En la catálisis enzimática, el reactivo (sustrato) encaja perfectamente en un punto específico de la superficie de la enzima, manteniéndose en esta posición por fuerzas intermoleculares. Después de esta adsorción, la configuración de la enzima puede variar, debilitándose el enlace clave del sustrato y aumentando así la velocidad de reacción.

CASO ESPECIAL: DISTINTOS CATALIZADORES PARA UNA MISMA REACCIÓN

A veces son posibles varias reacciones a partir de unos mismos reactivos. En estos casos se obtienen los productos que se formen más rápidamente, y cuáles sean éstos puede depender del catalizador utilizado. Así, por ejemplo, cuando se utiliza níquel como catalizador, la reacción entre el CO y el H2 produce metano y agua:

N

2 4

i

2CO g 3H g CH g O H g

Si se utiliza óxido de cinc, se forma metanol:

Zn

2 3CO g 2 H g CH OH g

En la figura de la izquierda tienes un esquema sobre la forma en que actúan los catalizadores.

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CONTESTA Y REPASA Si a una reacción le añadimos un catalizador, razona si las siguientes frases son verdaderas o

falsas:

a) La entalpía de la reacción disminuye.

b) El orden de reacción disminuye.

c) La velocidad de la reacción aumenta.

Para la reacción en fase gaseosa ideal: A + B C + D, cuya ecuación cinética o ley de velocidad es v = k [A], indica cómo varía la velocidad de reacción:

a) Al disminuir el volumen del sistema a la mitad.

b) Al variar las concentraciones de los productos sin modificar el volumen del sistema.

c) Al utilizar un catalizador.

d) Al aumentar la temperatura.

La reacción A + B C es exotérmica y su ecuación de velocidad es v = k·[A]2·[B]. Centrándose en ella, indica:

a) ¿Cuál es el orden de reacción global?

b) ¿Qué unidades tiene la velocidad de reacción?

c) ¿Qué le ocurre a la velocidad de reacción si se duplica la concentración de ambos reactivos? ¿Y si aumenta la temperatura a la que ocurre la reacción?

d) Si la reacción transcurre en presencia de un catalizador positivo, ¿qué le ocurrirá a la velocidad de reacción?