Catalizador
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Catalizador. Sustancia química, simple o compuesta, que modifica la velocidad de una reacción química, interviniendo en ella pero sin llegar a formar parte de los productos resultantes de la misma.
Sumario
Reacción
Los catalizadores no cambian el rendimiento de una reacción: no tienen efecto en el equilibrio químico de una reacción, debido a que la velocidad, tanto de la reacción directa como de la inversa, se ven afectadas.
Características
Los catalizadores se caracterizan con arreglo a las dos variables principales que los definen: la fase activa y la selectividad.
La actividad y la selectividad, e incluso la vida misma del catalizador, depende directamente de la fase activa utilizada, por lo que se distinguen dos grandes subgrupos: los elementos y compuestos con propiedades de conductores electrónicos y los compuestos que carecen de electrones libres y son, por lo tanto, aislantes o dieléctricos.
Los catalizadores aceleran las reacciones químicas al donar protón o un par de electrones, los cuales permiten que una reacción química determinada se lleve con mayor facilidad y por lo tanto con mayor velocidad a través de un mecanismo específico.
Todos los catalizadores, funcionan disminuyendo la energía de activación (ΔG‡) de una reacción, de forma que se acelera sustancialmente la tasa de reacción. No alteran el balance energético de las reacciones en que intervienen, ni modifican, por lo tanto, el equilibrio de la reacción, pero consiguen acelerar el proceso incluso millones de veces.
Una reacción que se produce bajo el control de un catalizador en general, alcanza el equilibrio mucho más deprisa que la correspondiente reacción no catalizada. Los catalizadores, no son consumidos por las reacciones que catalizan, ni alteran su equilibrio químico.
Ventajas del uso de los catalizadores
Ahorra tiempo
El uso de catalizador ahorra tiempo ya que tardaría mucho tiempo en llevarse a cabo la reacción química, probablemente sin el uso de catalizadores cualquier mecanismo disponible para una reacción específica tardaría miles de años sin reaccionar o probablemente reaccionaria una cantidad insignificante de reactivos.
Ventajas económicas
También tiene ventajas económicas, de ahorro y eficiencia porque evita usar temperaturas y presiones mas elevadas para acelerar la reacción, por lo tanto es económicamente se refleja en un ahorro, ya que el usar mayores temperaturas y presiones es hacer uso de mayor consumo de energía
Tipos de catalizadores
- La mayoría de los catalizadores sólidos son los metales o los óxidos, sulfuros y haloideos de elementos metálicos y de semimetálicos como los elementos boro aluminio, y silicio.
- Los catalizadores metálicos más usuales son capaces de producir reacciones reversibles de quimiadsorción, como en el caso del níquel, paladio, platino y plata.
- Las sales metálicas más destacadas por su carácter catalizador son los sulfuros, que se emplean en procesos de eliminación de azufre, y los cloruros, que son catalizadores de los procesos de oxicloración.
- Los catalizadores gaseosos y líquidos se usan usualmente en su forma pura o en la combinación con solventes o transportadores apropiados.
- Catalizador homogéneo. Esta en disolución con los reactivos, o en la misma fase que ellos. El catalizador se combina con uno de los reactivos formando un compuesto intermedio que reacciona con el otro más fácilmente. Sin embargo, el catalizador no influye en el equilibrio de la reacción, porque la descomposición de los productos en los reactivos es acelerada en un grado similar.
Un ejemplo de catalizador homogéneo es el óxido nítrico utilizado en la catálisis de formación de trióxido de azufre haciendo reaccionar el dióxido de azufre con oxígeno, tanto al principio como al final de la reacción existe la misma cantidad de óxido nítrico.
- Catalizador heterogéneo o de contacto. Está en una fase distinta de los reactivos. Los catalizadores de contacto son materiales capaces de adsorber moléculas de gases o líquidos en sus superficies
Un ejemplo de catalizador heterogéneo es el platino finamente dividido que cataliza la reacción de monóxido de carbono con oxígeno para formar dióxido de carbono. Esta reacción se utiliza en catalizadores acoplados a los automóviles para eliminar el monóxido de carbono de los gases de escape.
- Electrocatalizadores. En el contexto de la electroquímica, específicamente en la ingeniería de las pilas de combustible, que contienen varios metales los catalizadores se utilizan para mejorar las velocidades de las semirreacciones que conforman la pila de combustible.
Un tipo común de electrocatalizador de pila de combustible se basa en nanopartículas de platino que están soportadas en partículas un poco mayores de carbón. Cuando este electrocatalizador de platino está en contacto con uno de los electrodos en una pila de combustible, aumenta la velocidad de reducción del oxígeno a agua (o hidróxido o peróxido de hidrógeno.
- Catalizadores biológicos: Son las llamadas enzimas, moléculas de naturaleza proteica que catalizan reacciones químicas, siempre que sea termodinámicamente posible (si bien pueden hacer que el proceso sea más termodinámicamente favorable). En estas reacciones, las enzimas actúan sobre unas moléculas denominadas sustratos, las cuales se convierten en moléculas diferentes denominadas productos. Casi todos los procesos en las células necesitan enzimas para que ocurran a unas tasas significativas. A las reacciones mediadas por enzimas se las denomina reacciones enzimáticas.
Existen ciertas sustancias llamadas promotoras, que no tienen capacidad catalítica en sí, pero aumentan la eficacia de los catalizadores. Por ejemplo, al añadir alúmina a hierro finamente dividido, ésta aumenta la capacidad del hierro para catalizar la obtención de amoníaco a partir de una mezcla de nitrógeno e hidrógeno.
Fuentes
- Química General. La Habana: Editorial pueblo y educación, 1985.
