Catálisis
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En la química y la biología , la catálisis es una forma de acelerar la tasa de una reacción química por medio de contacto los reactivos con una sustancia llamada un catalizador, que en sí mismo no es consumido por la reacción global. De manera más general, se puede a veces llamar cualquier cosa que acelera un proceso, un "catalizador" (Del griego καταλύειν, lo que significa que anule o soltarse o para recoger).
Un catalizador proporciona una ruta alternativa para productos, la ruta catalítica estar sujetos a una menor energía de activación que en la reacción no catalizada. Una energía de activación rebajado aumenta la velocidad de reacción . Los catalizadores generalmente cambian en el curso de una reacción, pero se regeneran.
Un buen ejemplo de un uso de catalizador está en el desproporción del peróxido de hidrógeno para dar agua y oxígeno :
- 2 H 2 O 2 → 2 H2O + O2
Esta reacción es lenta, como se muestra por el hecho de que se pueden comprar soluciones de peróxido de hidrógeno. Después de la adición de dióxido de manganeso a peróxido de hidrógeno, la reacción se produce rápidamente como señalado por efervescencia de oxígeno. En manifestaciones, el oxígeno desprendido es detectable por su efecto sobre una tablilla brillante. El dióxido de manganeso puede ser recuperado, y re-utilizarse indefinidamente, por lo que es un catalizador - que no es consumido por la reacción. (El H 2 O 2 se vende como un agente esterilizante en las farmacias está demasiado diluida para que esto funcione de forma espectacular.)
Un promotor modifica químicamente un catalizador, pero no es en sí un catalizador. Una inhibidor reduce la eficacia del (o ralentiza el efecto de) un catalizador.
Historia
Los procesos de frases catalizada fue acuñado por Jöns Jakob Berzelius en 1836 para describir las reacciones que son acelerados por las sustancias que permanecen sin cambios después de la reacción. Otros químicos principios implicados en la catálisis eran Alexander Mitscherlich que en 1831 se refirió a ponerse en contacto con los procesos y Johann Wolfgang Döbereiner que habló de la acción de contacto y cuya basa más ligero en hidrógeno y una de platino esponja se convirtió en un gran éxito comercial en la década de 1820. Humphrey Davy descubrió el uso de platino en la catálisis. En la década de 1880, Wilhelm Ostwald en Universidad de Leipzig inició una serie de investigaciones sistemáticas en reacciones que fueron catalizadas por la presencia de ácidos y bases, y se encontró tanto que las reacciones químicas se producen a tasas finitas, y que estas tasas se puede utilizar para determinar los puntos fuertes de ácidos y bases. Para este trabajo, Ostwald fue galardonado con el 1909 Premio Nobel de Química .
Mecanismo típico
Los catalizadores generalmente reaccionan con uno o más reactivos para formar un intermedio que posteriormente dar el producto de reacción final, en el proceso de regeneración del catalizador. El siguiente es un esquema de reacción típico, en donde C representa reactantes el catalizador, A y B son, y D es el producto de la reacción de A y B:
- A + C → AC (1)
- B + AC → ABC (2)
- ABC → CD (3)
- CD → C + D (4)
Aunque el catalizador (C) es consumido por la reacción 1, se produce posteriormente por reacción 4, por lo que para la reacción global:
- A + B → D
Ciclos catalíticos
Un ciclo catalítico o mecanismo catalítico es un mecanismo de reacción que implica un catalizador. Ciclos catalíticos son fundamentales para cualquier debate de la catálisis, ya sea en la bioquímica , la química organometálica, o la química de estado sólido.
A menudo, un catalizador denominado sacrificial es también parte del sistema de reacción con el fin de regenerar el verdadero catalizador en cada ciclo. Como el nombre implica el catalizador de sacrificio no se regenera y se consume en lugar de forma irreversible. Este compuesto de sacrificio también se conoce como un catalizador estequiométrica cuando se añade en cantidades estequiométricas en comparación con el reactivo principal. Por lo general, el verdadero catalizador es una molécula y añadido en cantidades tan pequeñas como sea posible caro y complejo. El catalizador estequiométrico en el otro lado debe ser barato y abundante.
Catalizadores y energética de reacción
Los catalizadores funcionan proporcionando una (alternativa) mecanismo que implica un estado de transición diferente y menor energía de activación . El efecto de esto es que las colisiones más moleculares tienen la energía necesaria para alcanzar el estado de transición. Por lo tanto, los catalizadores pueden realizar reacciones que, aunque termodinámicamente factibles, no funcionaría sin la presencia de un catalizador, o realizar mucho más rápido, más específico, o a temperaturas más bajas. Esto se puede observar en una Distribución de Boltzmann y diagrama de perfil de energía. Esto significa que los catalizadores reducen la cantidad de energía necesaria para iniciar una reacción química.
Los catalizadores no pueden hacer que las reacciones energéticamente desfavorables posible - no tienen ningún efecto sobre el equilibrio químico de la reacción porque la tasa de tanto el avance y la reacción inversa se ven igualmente afectados (véase también la termodinámica ). El cambio de energía libre de una reacción neta es el mismo si se utiliza un catalizador o no; el catalizador sólo hace que sea más fácil de activar.
La SI unidad derivada para medir la actividad catalítica de un catalizador es la katal, que es moles por segundo. El grado de actividad de un catalizador también puede ser descrita por el la vuelta número (o arcilla) y la eficiencia catalítica por el giro más frecuencia (TOF). El equivalente bioquímica es la unidad de enzima.
Para obtener más información sobre la eficiencia de la catálisis enzimática ver el Sección Enzima # Kinetics.
Autocatálisis
En autocatálisis, una reacción produce catalizadores.
Tipos de catalizadores
Los catalizadores pueden ser tanto o heterogénea homogénea. Biocatalizadores son a menudo vistos como un grupo aparte.
Los catalizadores heterogéneos están presentes en diferentes fases de la reactivos (por ejemplo, un sólido catalizador en un líquido mezcla de reacción ), mientras que los catalizadores homogéneos están en la misma fase (por ejemplo, una catalizador disuelto en una mezcla de reacción líquida).
Los catalizadores heterogéneos
Un modelo simple para catálisis heterogénea implica el catalizador proporcionando una superficie sobre la que los reactivos (o sustratos) se convierten temporalmente adsorbidos. Bonos en el sustrato debilitado lo suficiente para que los nuevos bonos que se creará. Los lazos entre los productos y el catalizador son más débiles, por lo que los productos son liberados. Diferentes mecanismos posibles para reacciones en las superficies son conocidos, dependiendo de cómo la adsorción se lleva a cabo ( Langmuir-Hinshelwood y Eley-Rideal).
Por ejemplo, en el Haber proceso para la fabricación de amoniaco , finamente divididas de hierro actúa como un catalizador heterogéneo. Sitios activos sobre el metal permitir la unión débil parcial a los reactantes los gases , que son adsorbido sobre la superficie del metal. Como resultado, la unión dentro de la molécula de un reactivo se debilita y las moléculas reactantes se mantienen en estrecha proximidad entre sí. De esta manera el particularmente fuerte triple enlace en nitrógeno se debilita y las moléculas de hidrógeno y de nitrógeno se unió más de lo que sería el caso en la fase de gas, por lo que la tasa de reacción aumenta.
Otros catalizadores heterogéneos incluyen vanadio (V) en el óxido proceso de contacto, de níquel en la fabricación de margarina, alúmina y de sílice en el agrietamiento de alcanos y platino , rodio y paladio en convertidores catalíticos. Silicatos mesoporosos han encontrado utilidad en la catálisis de reacción heterogénea debido a su gran superficie accesible permite una alta carga de catalizador.
En los motores de automóviles, incompleta la combustión de la de combustible se produce monóxido de carbono , que es tóxico. La chispa eléctrica y las altas temperaturas también permiten que el oxígeno y el nitrógeno a reaccionar y la forma monóxido de nitrógeno y el dióxido de nitrógeno, que son responsables de fotoquímica de smog y la lluvia ácida . Los catalizadores reducen estas emisiones mediante la adsorción de CO y NO sobre la superficie catalítica, donde los gases se someten a una . reacción redox dióxido de carbono y nitrógeno se desorbe de la superficie y emite como gases relativamente inofensivos:
- 2CO + 2NO → 2CO 2 + N 2
Muchos catalizadores utilizados en las refinerías y en aplicaciones petroquímicas son regeneradas y reutilizadas varias veces para ahorrar costes y energía y reducir el impacto ambiental de reciclado o eliminación de los catalizadores agotados.
Los catalizadores homogéneos
Los catalizadores homogéneos están en la misma fase que los reactivos.
En la catálisis homogénea el catalizador es una molécula que facilita la reacción. El catalizador inicia la reacción con uno o más reactivos para formar intermedios (s) y en algunos casos uno o más productos. Los pasos subsiguientes conducen a la formación de los productos que quedan y para la regeneración del catalizador.
Ejemplos de catalizadores homogéneos son:
1) El ion H + (aq) que actúa como un catalizador en esterificación, así como en la reacción inversa - hidrólisis de ésteres tales como acetato de metilo está catalizada por H +
2) El cloro los radicales libres en la descomposición de ozono . Estos radicales se forman por la acción de rayos ultravioleta en la radiación los clorofluorocarbonos (CFC). Ellos reaccionan con el ozono para formar moléculas de oxígeno y regenerar los radicales de catalizador. Este proceso destruye la capa delgada de ozono estratosférico.
- Cl + O · 3 · → ClO + O 2
- ClO + O · · · → Cl + O 2
3) Los óxidos de nitrógeno en la oxidación de dióxido de azufre para trióxido de azufre por dioxígeno en el proceso de la cámara.
Biocatalizadores
En naturaleza enzimas son catalizadores en metabolismo. En la bioquímica catálisis también se observa con abzimas y ribozimas, deoxyribozymes También se han creado en el laboratorio.
Biocatalizadores pueden ser considerados como una mezcla de un catalizador homogéneo y heterogéneo. Esto es porque la enzima está en solución en sí, sino la reacción tiene lugar en la superficie de la enzima. Hay varios factores que afectan a la actividad de las enzimas. Los más importantes son:
- Temperatura
- pH
- Concentración de la enzima
- La concentración de sustrato
Electrocatalizadores
En el contexto de electroquímica, específicamente en ingeniería de pila de combustible, diversos catalizadores ricas en metales se utilizan para promover la eficiencia de un un medio de reacción que se produce dentro de la célula de combustible. Un tipo común de electrocatalizador de células de combustible se basa en minúscula nanopartículas de platino que adornan un poco más grandes de carbono partículas. Cuando este tipo de electrocatalizador de platino está en contacto con una de las electrodos en una pila de combustible, aumenta la tasa de la redox un medio de reacción en la que el oxígeno gas se reduce a agua (o hidróxido o peróxido de hidrógeno ).
Significado
La catálisis es de suma importancia en la industria química. La producción de la mayoría de los productos químicos industrialmente importantes implica la catálisis. Dos procesos comerciales notables son la Proceso de Haber para el amoniaco síntesis y la La síntesis de Fischer-Tropsch. La investigación en catálisis es un campo importante en la ciencia aplicada, e implica a muchos campos de la química, especialmente en la química organometálica, y la física. La catálisis es importante en muchos aspectos de la ciencia del medio ambiente , de la convertidor catalítico en los automóviles a las presuntas causas del agujero de ozono . Catalizador, en lugar de reacciones estequiométricas se prefieren en el medio ambiente la química verde debido a la reducida cantidad de residuos generados.
Ejemplos notables
Se estima que el 90% de todos los productos químicos producidos comercialmente implican catalizadores en alguna etapa en el proceso de su fabricación.
El dióxido de manganeso se utiliza en el laboratorio para preparar oxígeno por la descomposición de peróxido de hidrógeno a oxígeno y agua .
Aplicaciones conocidas de catalizadores sintéticos son:
- Los convertidores catalíticos a base de platino y manganeso rompen algunos de los subproductos más nocivos de escape de los automóviles. Los catalizadores utilizados son micro-diseñados para tener grandes superficies.
- la Haber proceso para la síntesis de amoníaco a partir de nitrógeno y de hidrógeno , donde el hierro es el catalizador.
Ejemplos de catalizadores que realizan transformaciones específicas en grupos funcionales:
- Transformaciones de olefínicos grupos:
- la Catalizador de Ziegler-Natta utilizado para producir masa polietileno y polipropileno.
- la Catalizador de Grubbs para metátesis de olefinas.
- la Proceso Monsanto
- la Proceso Wacker
- la Reacción de Heck.
Estos ejemplos demuestran que los diferentes catalizadores realizar otras transformaciones en los mismos grupos funcionales, en los que la reacción no sería proceder, pase muy lentamente, o proceder de una manera no selectiva y sin la presencia del catalizador.
El catalizador más común es el protón. Muchos metales de transición y metal de transición complejos se utilizan en la catálisis también.
Nuevas direcciones - organocatálisis
Mientras que los catalizadores de metales de transición están bien establecidos, una nueva tendencia es hacia organocatálisis que utilizan moléculas orgánicas comparativamente simples como catalizadores. Aunque normalmente, la carga del catalizador es mucho más alta que los catalizadores basados en metales de transición, los catalizadores están generalmente disponibles comercialmente a granel, ayudando a reducir los costos drásticamente. Organocatalizadores de la "nueva generación" son competitivos con los catalizadores que contienen metales tradicionales y se deben a la inhibición de baja producto aplicable en cantidades subestequiométricas. El carácter químico de organocatalizadores ofrece perspectivas y ventajas nuevas y atractivas para sintéticamente los químicos que trabajan.
Los procesos catalíticos
En 2005, los procesos catalíticos generan alrededor de 900 millones de dólares en productos a nivel mundial. (Pdf)
- La catálisis ácido-base
- Los convertidores catalíticos a base de platino y rodio rompen algunos de los subproductos más nocivos de escape de los automóviles.
- Las pilas de combustible
- La síntesis de Fischer-Tropsch.
- Proceso de Haber (síntesis de amoníaco a partir de nitrógeno y de hidrógeno , en donde ordinaria de hierro se utiliza como catalizador)
- La hidrogenación
- El metanol síntesis
- El ácido nítrico producción
- Petróleo de refinación y procesamiento
- Alquilación
- Craqueo Catalítico - rompiendo hidrocarburos de cadena larga en pedazos más pequeños
- Nafta reforma
- El reformado con vapor de hidrocarburos para producir gas de síntesis
- El ácido sulfúrico producción
- La transesterificación
- Polimerización de olefinas
