6.6.- Catálisis

Una de las formas más simples de aumentar la velocidad de una reacción consiste en aumentar la temperatura, pero en algunas ocasiones no es aconsejable o bien porque disminuye el rendimiento de la reacción o bien porque los reactivos se descomponen formando otros productos no deseados. Hay otro proceso alternativo para aumentar la velocidad de la reacción sin alterar la temperatura y consiste en introducir en el medio una sustancia, llamada catalizador, que consiga el mismo efecto. También existen otras sustancias llamadas inhibidores que consiguen el efecto contrario, ralentizar la reacción.

Un catalizador puede definirse como una sustancia capaz de hacer que un sistema químico alcance más rápidamente su estado de equilibrio, sin alterar las propiedades de dicho equilibrio ni consumirse durante el proceso.

Los catalizadores deben tener las siguientes características:

  1. No debe ser ni reactivo ni producto, por lo tanto no aparecerá en la ecuación global de la reacción química.

  2. Son eficaces incluso si existe en muy pequeñas cantidades en el sistema químico.

  3. Se recupera al final del proceso en el mismo estado en el que se ha introducido, es decir, que podría volver a utilizarse de nuevo.

  4. No altera las variables termodinámicas del proceso, porque el catalizador ni aporta ni consume energía del sistema; no cambia ni ∆H ni ∆G ni ∆S de la reacción.

  5. Un proceso que no sea espontáneo no será favorecido por la presencia de un catalizador.

  6. Acelera por igual la reacción directa e inversa. El catalizador conduce la reacción más rápidamente al estado de equilibrio por ambos sentidos.

  7. En general, los catalizadores son específicos, es decir, aceleran sólo una reacción concreta y no el resto.

Un catalizador actúa sobre los estados intermedios del mecanismo de la reacción disminuyendo la energía de activación, tanto la directa como la inversa, tal y como se muestra en la figura.

Por su parte, un inhibidor, lo que hace es aumentar la energía de activación, haciendo, de esa manera, que la velocidad de la reacción disminuya.

Hay varios tipos de procesos de catálisis:

  1. Catálisis homogénea: En este caso, el catalizador se encuentra en la misma fase que los reactivos. Puede ser en fase gaseosa o en fase líquida, pero en cualquier caso es poco utilizada a nivel industrial, sin embargo adquieren gran importancia en los estudios de los problemas medioambientales de la atmósfera. Por ejemplo, la reacción de destrucción del ozono (gas) es catalizada por la presencia de átomos de cloro o flúor (también gaseosos) procedentes fundamentalmente de los CFC (sustancias utilizadas en los propelentes de aerosoles y en los aparatos de refrigeración).

 

  1. Catálisis heterogénea: el catalizador se encuentra en una fase distinta a la que están los reactivos. Se utiliza mucho en procesos industriales y su mecanismo más común está basado en la adsorción de las moléculas reaccionantes (generalmente gases) en la superficie del catalizador (generalmente sólido). Algunos ejemplos son:

1.- Síntesis del amoniaco por el método de Haber.

 

2.- Oxidación del dióxido de azufre (SO2): este proceso, muy importante como paso intermedio en la fabricación de ácido sulfúrico es catalizado por Platino (o u óxido de vanadio V2O5 que es más barato pero menos eficaz) según el siguiente proceso:

 

  1. Catálisis enzimática: Casi todos los procesos bioquímicos necesitan ser catalizados porque deben tener lugar a 37 ºC, que es una temperatura relativamente baja. Las sustancias que catalizan las reacciones bioquímicas se llaman enzimas y son proteínas de elevada masa molecular. La catálisis encimática presenta dos características diferenciadoras:

1.- Su eficacia es muy superior a cualquier otro tipo de catalizadores artificiales utilizados hasta la fecha.

2.- Son muy específicos, cada enzima, por lo general, sólo cataliza una reacción muy concreta.

En la catálisis enzimática, el reactivo o sustrato encaja perfectamente en un punto específico de la molécula del enzima, manteniéndose en esta posición por fuerzas intermoleculares. Después de esta adsorción, la configuración de la enzima puede debilitar el enlace clave del sustrato aumentando así la velocidad de la reacción: