CATALIZADORES Y FUNCIONES

La catálisis es el proceso por el cual se aumenta la velocidad de una reacción química,

debido a la participación de una sustancia llamada catalizador y aquellas que desactivan la
catálisis son denominados inhibidores. Una característica importante es que la masa de
catalizador no se modifica durante la reacción química, lo que lo diferencia de un reactivo,
cuya masa va disminuyendo a lo largo de la reacción.

En la síntesis de muchos de los productos químicos industriales más importantes existe una
catálisis, ya que esta puede disminuir el tiempo que requiere. El envenenamiento de los
catalizadores, que generalmente es un proceso no deseado, también es utilizado en la
industria química. Por ejemplo, en la reducción del etino a eteno, el catalizador paladio (Pd)
es "envenenado" parcialmente con acetato de plomo (II), Pb(CH3COO)2. Sin la desactivación
del catalizador, el eteno producido se reduciría posteriormente a etano.12

Generalidades[editar]

La catálisis interviene en muchos procesos industriales. Así mismo, la mayoría de los

procesos “biológicamente” significativos son catalizados. La investigación en catálisis es uno
de los principales campos en ciencia aplicada e involucra muchas áreas de la química,
especialmente en química organometálica y ciencia de materiales. La catálisis es importante
para muchos aspectos de las ciencias ambientales, por ejemplo, el convertidor catalítico de
los automóviles y la dinámica del agujero de ozono. Las reacciones catalíticas son las
preferidas en la química verde para un medioambiente amigable debido a la reducida
cantidad de residuos que genera3 en lugar de las reacciones estequiométricas en las que se
consumen todos los reactivos y se forman más productos secundarios. El catalizador más
común es el protón (H+). Muchos metales de transición y los complejos de los metales de
transición se utilizan en la catálisis. Los catalizadores llamados enzimas son importantes
en Biología.

El catalizador funciona proporcionando un camino de reacción alternativo al producto de

reacción. La velocidad de la reacción aumenta a medida que esta ruta alternativa tiene una
menor energía de activación que la ruta de reacción no mediada por el catalizador.
La dismutación del peróxido de hidrógeno para dar agua y oxígeno es una reacción que está
fuertemente afectada por los catalizadores:

2 H2O2 → 2 H2O + O2

Esta reacción está favorecida, en el sentido de que los productos de reacción son más estables
que el material de partida, sin embargo, la reacción no catalizada es lenta. La descomposición
del peróxido de hidrógeno es de hecho tan lenta que las soluciones de peróxido de hidrógeno
están disponibles comercialmente. Tras la adición de una pequeña cantidad de dióxido de
manganeso, el peróxido de hidrógeno reacciona rápidamente de acuerdo a la ecuación
anterior. Este efecto se ve fácilmente por la efervescencia del oxígeno.4 El dióxido de
manganeso puede ser recuperado sin cambios, y volver a utilizarse de forma indefinida, y por
lo tanto no se consume en la reacción. En consecuencia, el dióxido de manganeso cataliza
esta reacción.5

Características[editar]

La característica general de la catálisis es que la reacción catalítica tiene un menor cambio

de energía libre de la etapa limitante hasta el estado de transición que la reacción no
catalizada correspondiente, resultando en una mayor velocidad de reacción a la misma
temperatura. Sin embargo, el origen mecánico de la catálisis es complejo.

Los catalizadores pueden afectar favorablemente al entorno de reacción, por ejemplo,

los catalizadores ácidos para las reacciones de los compuestos carbonílicos forman
compuestos intermedios específicos que no se producen naturalmente, tales como
los ésteres de Osmio en la dihidroxilación de alquenos catalizadas por el tetróxido de osmio,
o hacer la ruptura de los reactivos a formas reactivas, como el hidrógeno atómico en
la hidrogenación catalítica.

Cinéticamente, las reacciones catalíticas se comportan como las reacciones químicas típicas,
es decir, la velocidad de reacción depende de la frecuencia de contacto de los reactivos en la
etapa determinante de velocidad (ver ecuación de Arrhenius). Normalmente, el catalizador
participa en esta etapa lenta, y las velocidades están limitadas por la cantidad de catalizador.
En catálisis heterogénea, la difusión de los reactivos a la superficie de contacto y la difusión
de los productos desde dicha superficie puede ser la etapa determinante de la velocidad.
Eventos similares relacionados con la unión del sustrato y la disociación del producto se
aplican en la catálisis homogénea.

Aunque los catalizadores no son consumidos por la propia reacción, pueden resultar
inhibidos, desactivados o destruidos por procesos secundarios. En la catálisis heterogénea,
procesos secundarios típicos incluyen el coqueo, donde el catalizador se cubre por productos
secundarios poliméricos. Además, los catalizadores heterogéneos pueden disolverse en la
solución en un sistema sólido-líquido o evaporarse en un sistema sólido-gas.

Principios generales de la catálisis[editar]

Mecanismo típico[editar]

Artículo principal: Ciclo catalítico

Los catalizadores generalmente reaccionan con uno o más de los reactivos para formar
productos intermedios que, posteriormente, conducen al producto final de reacción. En el
proceso se regenera el catalizador. El siguiente esquema es típico de una reacción catalítica,
donde C representa el catalizador, X e Y son los reactivos, y Z es el producto de la reacción
de X con Y:

X + C → XC (1)

Y + XC → XYC (2)

XYC → CZ (3)

CZ → C + Z (4)

Aunque el catalizador es consumido por la reacción 1, posteriormente es producido por la

reacción 4, por lo que la reacción global es:

X+Y→Z

Como el catalizador se regenera en una reacción, a menudo bastan pequeñas cantidades del
catalizador para incrementar la velocidad de una reacción. Sin embargo, en la práctica los
catalizadores son algunas veces consumidos en procesos secundarios.
Como ejemplo de este proceso, en 2008, investigadores daneses revelaron por primera vez
la secuencia de sucesos cuando el oxígeno y el hidrógeno se combinan en la superficie
del dióxido de titanio (TiO2, o titania) para producir agua. Con una serie de imágenes
de microscopía de efecto túnel a intervalos, determinaron que las moléculas
sufren adsorción, disociación y difusión antes de reaccionar. Los estados intermedios de
reacción fueron: HO2, H2O2, luego H3O2 y el producto final de la reacción (dímeros de la
molécula de agua), tras lo cual la molécula de agua se desorbe de la superficie del
catalizador.6

Catálisis y energética de la reacción[editar]

Diagrama genérico de energía potencial mostrando el efecto de un catalizador en una

hipotética reacción química exotérmica X + Y para producir Z. La presencia del catalizador
abre un camino de reacción diferente (mostrado en rojo) con una energía de activación menor.
El resultado final y la termodinámica global son la misma.

Los catalizadores funcionan proporcionando un mecanismo (alternativo) que involucra

un estado de transición diferente y una menor energía de activación. Por lo tanto, más
colisiones moleculares tienen la energía necesaria para alcanzar el estado de transición. En
consecuencia, los catalizadores permiten reacciones que de otro modo estarían bloqueadas o
ralentizadas por una barrera cinética. El catalizador puede aumentar la velocidad de reacción
o de la selectividad, o permitir que la reacción ocurra a menores temperaturas. Este efecto
puede ser ilustrado con una distribución de Boltzmann y un diagrama de perfil de energía.

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 (ver también termodinámica). El hecho de que un
catalizador no cambie el equilibrio es una consecuencia de la segunda ley de la
termodinámica. Supongamos que hay un catalizador que modifica el equilibrio. La
introducción del catalizador en el sistema daría lugar a la reacción para ir de nuevo al
equilibrio, produciendo energía. La producción de energía es un resultado necesario, puesto
que las reacciones son espontáneas sí y sólo sí se produce energía libre de Gibbs, y si no hay
una barrera energética no hay necesidad de un catalizador. En consecuencia, la eliminación
del catalizador también resultaría en una reacción, produciendo energía; esto es, tanto la
adición, como su proceso inverso, la eliminación, producirían energía. Así, un catalizador
que pudiera cambiar el equilibrio sería un móvil perpetuo, en contradicción con las leyes de
la termodinámica.7

Si un catalizador cambia el equilibrio, entonces debe consumirse a medida que avanza la

reacción, y por lo tanto también es un reactivo. Algunos ejemplos ilustrativos son
la hidrólisis de los ésteres catalizada por bases, donde el ácido carboxílico producido
reacciona inmediatamente con el catalizador básico, y así el equilibrio de la reacción se
desplaza hacia la hidrólisis.

La unidad derivada SI para medir la actividad catalítica de un catalizador es el katal, que es

igual a moles por segundo. La actividad de un catalizador puede ser descrita por el número
de conversiones, o TON (del inglés turn over number), y la eficiencia catalítica por
la frecuencia de conversiones, TOF (del inglés turn over frequency). El equivalente
bioquímico es la unidad de actividad enzimática. Para más información sobre la eficiencia
de la catálisis enzimática, ver el artículo de Catálisis enzimática.

El catalizador estabiliza el estado de transición más que de los que estabiliza el material
inicial. Disminuye la barrera cinética al disminuir la diferencia de energía entre el material
inicial y el estado de transición.

Materiales catalíticos típicos[editar]

La naturaleza química de los catalizadores es tan diversa como la catálisis misma, aunque
pueden hacerse algunas generalizaciones. Los ácidos próticos son probablemente los
catalizadores más ampliamente usados, especialmente para muchas reacciones que
involucran agua, incluyendo la hidrólisis y su inversa. Los sólidos multifuncionales a menudo
suelen ser catalíticamente activos, por ejemplo las zeolitas, la alúmina y ciertas formas
de carbono grafítico. Los metales de transición son utilizados a menudo para catalizar
reacciones redox (oxigenación, hidrogenación). Muchos procesos catalíticos, especialmente
los que involucran hidrógeno, requieren metales del grupo del platino.

Algunos de los llamados catalizadores son, en realidad, precatalizadores. Los

precatalizadores se convierten en el catalizador en el transcurso de la reacción. Por ejemplo,
el catalizador de Wilkinson RhCl(PPh3)3 pierde un ligando trifenilfosfina antes de entrar en
el verdadero ciclo catalítico. Los precatalizadores son más fáciles de almacenar, pero son
fácilmente activados in situ. Debido a esta etapa de preactivación, muchas reacciones
catalíticas involucran un período de inducción.

Las especies químicas que mejoran la actividad catalítica son denominadas co-
catalizadores o promotores, en la catálisis cooperativa.

Tipos de catálisis[editar]

Los catalizadores pueden ser homogéneos o heterogéneos, dependiendo de si existe un

catalizador en la misma fase que el sustrato. Los biocatalizadores son vistos a menudo como
un grupo separado.

Catalizadores enigmáticos[editar]

Son aquellos que realizan procesos mediante enzimas, estos son más empleados en las áreas
industriales, una de ellas es la farmacéutica, en la cual un ejemplo es para la producción de
insulina, la cual se obtiene al emplear la enzima de la bacteria E. coli.

Catalizadores heterogéneos[editar]

Artículo principal: Catálisis heterogénea

Los catalizadores heterogéneos son aquellos que actúan en una fase diferente que
los reactivos. La mayoría de los catalizadores heterogéneos son sólidos que actúan sobre
sustratos en una mezcla de reacción líquida o gaseosa. Se conocen diversos mecanismos para
las reacciones en superficies, dependiendo de cómo se lleva a cabo la adsorción (Langmuir-
Hinshelwood, Eley -Rideal, y Mars-van Krevelen).8 El área superficial total del sólido tiene
un efecto importante en la velocidad de reacción. Cuanto menor sea el tamaño de partícula
del catalizador, mayor es el área superficial para una masa dada de partículas.

Por ejemplo, en el proceso de Haber, el hierro finamente dividido sirve como un catalizador
para la síntesis de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. Los gases reactantes se
adsorben en los "sitios activos" de las partículas de hierro. Una vez adsorbidos, los enlaces
dentro de las moléculas reaccionantes se resienten, y se forman nuevos enlaces entre los
fragmentos generados, en parte debido a su proximidad. De esta manera el particularmente
fuerte triple enlace en el nitrógeno se debilita y los átomos de hidrógeno y nitrógeno se
combinan más rápido de lo que lo harían el caso en la fase gaseosa, por lo que la velocidad
de reacción aumenta.

Los catalizadores heterogéneos suelen estar "soportados", que significa que el catalizador se
encuentra disperso en un segundo material que mejora la eficacia o minimiza su costo. A
veces el soporte es más que una superficie sobre la que se transmite el catalizador para
aumentar el área superficial. Más a menudo, el soporte y el catalizador interactúan, afectando
a la reacción catalítica.

Catalizadores homogéneos[editar]

Artículo principal: Catálisis homogénea

Normalmente los catalizadores homogéneos están disueltos en un disolvente con los

sustratos. Un ejemplo de catálisis homogénea implica la influencia de H+ en
la esterificación de los ésteres, por ejemplo, acetato de metilo a partir del ácido acético y el
metanol.9 Para los químicos inorgánicos, la catálisis homogénea es a menudo sinónimo
de catalizadores organometálicos.10

Electrocatalizadores[editar]

Artículo principal: Electrocatalizador

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).

Organocatálisis[editar]

Artículo principal: Organocatálisis

Mientras que los metales de transición a veces atraen más la atención en el estudio de la
catálisis, las moléculas orgánicas que no contengan metales también pueden poseer
propiedades catalíticas. Normalmente, los catalizadores orgánicos requieren una mayor carga
(o cantidad de catalizador por unidad de cantidad de reactivo) que los catalizadores basados
en metales de transición, pero estos catalizadores suelen estar disponibles comercialmente en
grandes cantidades, ayudando a reducir los costos. A principios de los 2000, los
organocatalizadores fueron considerados una "nueva generación" y eran competidores de los
tradicionales catalizadores que contenían metales. Las reacciones enzimáticas operan a
través de los principios de la catálisis orgánica.

Nanocatálisis[editar]

Artículo principal: Nanocatálisis

El principio de la nanocatálisis se basa en la premisa de que los materiales catalíticos

aplicados en la nanoescala tienen mejores propiedades, en comparación con lo que exhiben
en una macroescala.

Véase también: Nanomaterial

Importancia de la catálisis[editar]

Se estima que el 90% de todos los productos químicos producidos comercialmente

involucran catalizadores en alguna etapa del proceso de su fabricación.11 En 2005, los
procesos catalíticos generaron cerca de 900.000 millones de dólares en productos de todo el
mundo.12 La catálisis es tan penetrante que las subáreas no son fácilmente clasificables.
Algunas áreas de particular concentración se estudian más adelante.

Procesamiento de energía[editar]
El refinado de petróleo hace un uso intensivo de la catálisis para la alquilación, craqueo
catalítico (rotura de hidrocarburos de cadena larga en trozos más pequeños), reformado
de nafta y el reformado con vapor (conversión de hidrocarburos en gas de síntesis). Incluso
los gases de combustión de la quema de combustibles fósiles es tratada a través de la
catálisis: convertidores catalíticos, normalmente compuestos de platino y rodio, rompen
algunos de los subproductos más nocivos de los gases de escape de los automóviles.

2 CO + 2 NO → 2 CO2 + N2

Con respecto a los combustibles sintéticos, un viejo pero importante proceso es el síntesis de
Fischer-Tropsch 1314de hidrocarburos a partir del gas de síntesis, que a su vez se procesa a
través de la reacción de cambio agua-gas, catalizada por el hierro. El Biodiésel y los
biocombustibles relacionados requieren un procesamiento tanto a través de los catalizadores
inorgánicos como de los biocatalizadores.

Las pilas de combustible se basan en catalizadores de las reacciones tanto anódicas como
catódicas.

Productos químicos a granel[editar]

Algunos de los productos químicos obtenidos a gran escala se producen a través de la

oxidación catalítica, a menudo usando oxígeno. Algunos ejemplos son el ácido nítrico (a
partir de amoníaco), el ácido sulfúrico (a partir de dióxido de azufre a trióxido de azufre por
el proceso de las cámaras de plomo), el ácido tereftálico a partir de p-xileno, el ácido
acrílico a partir de propileno o propano1516, y el acrilonitrilo a partir de propano y amoníaco.

Muchos otros productos químicos son generados por reducción a gran escala, a menudo a
través de hidrogenación. El ejemplo a mayor escala es el amoníaco, que se prepara a través
del proceso de Haber a partir de nitrógeno. El Metanol es preparado a partir de monóxido de
carbono.

Los polímeros a granel derivados de etileno y propileno se preparan a menudo a través de

la catálisis Ziegler-Natta. Los poliésteres, las poliamidas, y los isocianatos se obtienen a
través de la catálisis ácido-base.
La mayoría de los procesos de carbonilación requieren catalizadores metálicos, los ejemplos
incluyen la síntesis de ácido acético mediante el proceso Monsanto y la hidroformilación.

Química fina[editar]

Muchos productos de química fina se preparan a través de la catálisis, los métodos incluyen
a los de la industria pesada, así como procesos más especializados que serían
prohibitivamente caros a gran escala. Algunos ejemplos son la metátesis de olefinas usando
el catalizador de Grubbs, la reacción de Heck, y la reacción de Friedel-Crafts.

Debido a que la mayoría de los compuestos bioactivos son quirales, muchos productos
farmacéuticos son producidos por catálisis enantioselectiva.

Procesamiento de alimentos[editar]

Una de las aplicaciones más obvias de la catálisis es la hidrogenación (reacción con

el hidrógeno gas) de las grasas usando níquel como catalizador para producir la margarina.17
Muchos otros productos alimenticios se preparan a través de biocatálisis (véase más abajo).

Biología[editar]

Artículo principal: Biocatalizador

En la naturaleza, las enzimas son catalizadores en el metabolismo y el catabolismo. La

mayoría de biocatalizadores están basados en proteínas, es decir, enzimas, pero otras clases
de biomoléculas también exhiben propiedades catalíticas incluyendo las ribozimas, y
de desoxirribozimas sintéticas.18

Los biocatalizadores se pueden considerar como intermedio entre los catalizadores

homogéneos y los heterogéneos, aunque estrictamente hablando las enzimas solubles son
catalizadores homogéneos y las enzimas enlazadas a membrana son heterogéneas. Varios
factores afectan la actividad de las enzimas (y otros catalizadores), incluyendo la
temperatura, el pH, la concentración de la enzima, el sustrato y los productos. Un reactivo
particularmente importante en las reacciones enzimáticas es el agua, que es el producto de
muchas de las reacciones en que se forman enlaces y un reactivo en muchos procesos en que
se rompen enlaces.
Las enzimas se emplean para preparar los productos químicos básicos, incluyendo el jarabe
de maíz y la acrilamida.

En el medio ambiente[editar]

La catálisis tiene un impacto en el medio ambiente mediante el aumento de la eficiencia de

los procesos industriales, pero la catálisis también juega un papel directo en el medio
ambiente. Un ejemplo notable es el papel catalítico de los radicales libres en la destrucción
del ozono. Estos radicales se forman por la acción de la radiación ultravioleta sobre
los clorofluorocarburos (CFC)

Cl· + O3 → ClO· + O2

ClO· + O· → Cl· + O2

Historia[editar]

En un sentido general, cualquier cosa que aumenta la velocidad de un proceso es un

"catalizador", un término derivado del griego, que significa "anular", "desatar", o "recoger".
La frase procesos catalizados fue acuñada por Jöns Jakob Berzelius en 183619 para describir
las reacciones que son aceleradas por sustancias que permanecen sin cambios después de la
reacción. Otro de los primeros químicos involucrados en la catálisis fue Alexander
Mitscherlich quien se refirió a los procesos de contacto y Johann Wolfgang Döbereiner que
habló de acción de contacto y cuyo encendedor basado en hidrógeno y una esponja
de platino se convirtieron en un gran éxito comercial en la década de 1820. Humphry
Davy descubrió el uso de platino en la catálisis. En la década de 1880, Wilhelm Ostwald en
la Universidad de Leipzig inició una investigación sistemática de las reacciones que eran
catalizadas por la presencia de los ácidos y las bases, y encontró que las reacciones químicas
ocurren a una velocidad finita y que estas velocidades pueden utilizarse para determinar la
fuerza de ácidos y bases. Por este trabajo, Ostwald fue galardonado en 1909 con el Premio
Nobel de Química.20

Inhibidores, venenos y promotores[editar]

Las sustancias que reducen la acción de los catalizadores son llamadas inhibidores catalíticos
si son reversibles, y venenos catalíticos si son irreversibles. Los promotores son sustancias
que aumentan la actividad catalítica, en particular cuando no son catalizadores en sí mismos.

El inhibidor puede modificar la selectividad además de la velocidad. Por ejemplo, en la

reducción del etino a eteno, el catalizador es paladio (Pd), parcialmente "envenenado"
con acetato de plomo (II) (Pb(CH3COO)2). Sin la desactivación del catalizador, el etileno
producido se reducirá aún más, hasta etano.12

El inhibidor puede producir este efecto por ejemplo, envenenando selectivamente sólo a
ciertos tipos de sitios activos. Otro mecanismo es la modificación de la geometría de la
superficie. Por ejemplo, en las operaciones de hidrogenación, grandes planchas de superficie
metálica funcionan como lugares de catálisis hidrogenolítica mientras que los sitios que
catalizan la hidrogenación de los insaturados son menores. Así, un veneno que cubre la
superficie al azar tienden a reducir el número de grandes planchas no contaminada, pero
dejan proporcionalmente más sitios pequeños libres, así se cambia la hidrogenación frente a
la hidrogenolisis selectiva. También son posibles otros muchos mecanismos.21

Diagramas de energía[editar]

Artículo principal: Teoría del estado de transición

Artículo principal: Dinámica química

Diagrama de energías.

La figura muestra el diagrama de una reacción catalizada, mostrando como varía

la energía (E) de las moléculas que participan en la reacción durante el proceso de reacción
(tiempo, t). Todas las moléculas contienen una cantidad determinada de energía, que depende
del número y del tipo de enlaces presentes en ella. Los sustratos o reactivos (A y B) tienen
una energía determinada, y el o los productos (AB en el gráfico), otra.

Si la energía total de los sustratos es mayor que la de los productos (por ejemplo como se
muestra en el diagrama), una reacción exotérmica, y el exceso de energía se desprende en
forma de calor. Por el contrario, si la energía total de los sustratos es menor que la de los
productos, se necesita tomar energía del exterior para que la reacción tenga lugar, lo que se
denomina reacción endotérmica.

Cuando las moléculas de los sustratos se van acercando para reaccionar, pierden estabilidad
(usando una analogía antropomórfica, a las moléculas "les gusta" mantener su espacio vital,
y las intromisiones no son bienvenidas). La inestabilidad se manifiesta como un aumento de
la energía del sistema (es el pico de energía que se ve en el diagrama). Cuando los sustratos
se convierten en productos, las moléculas se separan y se relajan de nuevo, y el conjunto se
estabiliza.

Las enzimas catalizan las reacciones estabilizando el intermedio de la reacción, de manera

que el "pico" de energía necesario para pasar de los sustratos a los productos es menor. El
resultado final es que hay muchas más moléculas de sustrato que chocan y reaccionan para
dar lugar a los productos, y la reacción transcurre en general más deprisa. Un catalizador
puede catalizar tanto reacciones endotérmicas como exotérmicas, porque en los dos casos es
necesario superar una barrera energética. El catalizador (E) crea un microambiente en el que
A y B pueden alcanzar el estado intermedio (A...E...B) más fácilmente, reduciendo la
cantidad de energía necesaria (E2). Como resultado, la reacción es más fácil, optimizando la
velocidad de dicha reacción.

Los catalizadores no alteran el equilibrio químico propio de la reacción en ningún caso.