La catálisis es un proceso en el cual la velocidad de reacción es aumentada gracias a la presencia de una sustancia llamada catalizador, que tiene la capacidad de mejorar la velocidad de la reacción química sin reaccionar y ni alterar el producto final.
¿Cómo se desarrolló el concepto de catálisis?
El proceso del desarrollo y conocimiento de la catálisis, se remonta aproximadamente hace 5000 años A.C, en donde se practicaba la preparación de bebidas como el vino; la preparación de estos involucra un proceso de fermentación en que el azúcar de la fruta se transforma en alcohol etílico debido a la acción de una sustancia presente en la piel de la fruta. Para ese entonces esos procesos, así como la “sustancia” que lo generaba eran ignorados. No fue, si no a través de los años que los científicos de la época comenzaron a despertar interés en procesos en los cuales algunas sustancias simples o compuestos, al tener contacto con otras sustancias, tenían la propiedad de acelerar su descomposición; fue llamada como una fuerza misteriosa capaz de destruir las uniones moleculares, y fue descrita por primera vez por Berzelius en 1836, la cual define a la descomposición de una sustancia debido a una fuerza, como catálisis.
Hoy día la catálisis se define como un proceso en donde una cantidad de una sustancia relativamente pequeña (catalizador), aumenta la velocidad de una reacción química sin consumirse en el proceso; esta sustancia proporciona una secuencia alternativa de la reacción con una menor energía de activación, participa en reacciones químicas sin experimentar cambios permanentes y suministra un mecanismo adicional donde los reactivos puedan convertirse en productos con mayor facilidad.
Un catalizador activa una reacción cuando se involucran una serie de pasos elementales, dando una cinética más ventajosa que aquellas que existen en su ausencia del catalizador, en este caso la velocidad de una reacción (por lo tanto, su constante de velocidad k) depende del factor de frecuencia A y de la energía de activación Ea; cuanto mayor sea A, o menor Ea, mayor será la velocidad de la reacción.
¿Cómo se clasifica la catálisis?
Su clasificación se lleva a cabo en función a la fase en que se encuentra el catalizador y el sustrato:
Catálisis homogénea: en este caso los reactivos y el catalizador están dispersos en una sola fase que generalmente se encuentra en estado líquido y poseen una velocidad de reacción similar en todo el proceso. En algunos casos el reactivo puede ser un gas y el resto junto con el catalizador, están en una misma fase líquida en la que debido a la solubilidad del gas, la transformación se produce en el seno del líquido y no en la interfase gas-líquido. En este tipo de proceso catalítico, las velocidades normalmente son elevadas lo que hace que su estudio (mecanismos de reacción) sea un proceso más sencillo, debido al fácil seguimiento de las especies intermediarias activas.
Catálisis heterogénea: en este proceso los reactivos y el catalizador están en fases distintas, generalmente el catalizador es un sólido y los reactivos son gases o líquidos. En este tipo de catálisis los reactivos se adsorben a la superficie del catalizador; un catalizador sólido está constituido por varios componentes, una fase activa, el soporte y un promotor o promotores. La fase activa es el responsable de acelerar la reacción principal, numerosas sustancias se emplean como componentes activos, pero por lo general suelen ser metales puros o aleaciones, el soporte por lo general es un sólido poroso que posee un área superficial elevada, se utiliza para dispersar mejor el componente activo con el fin de aprovechar la mayor cantidad de sitios activos, además de mejorar la estabilidad del catalizador ya que este componente posee excelentes propiedades físicas y químicas que le permite ser térmicamente estable. El promotor o promotores son sustancias o aditivos que mejoran la actividad y selectividad de la reacción catalítica.
Etapas de la catálisis heterogénea
1) Difusión de los reactivos: consiste en el transporte de materia y se produce en función a un gradiente de concentración. En esta etapa los reactivos se trasladan hacia la superficie del catalizador y luego deben ingresar en los poros o cavidades del catalizador.
2) Adsorción de los reactivos: en este paso las moléculas de los reactivos son adsorbidas y retenidas en la superficie del catalizador.
3) Transformación de las especies adsorbidas: en esta fase se produce la reacción química y da origen a los productos.
4) Desorción de los productos: así como los reactivos no se encuentran fuertemente adsorbidos sobre la superficie del catalizador, los productos que se obtienen de la transformación química tampoco lo están, estos se desorden rápidamente de manera que los sitios activos se regeneren nuevamente.
5) Difusión de los productos: en este paso los productos son difundidos hacia el exterior primero a través de los poros hasta la superficie del catalizador y luego ocurre una difusión externa a través del lecho catalítico hacia el seno del fluido.
Referencias bibliográficas
1. Brown T.L; LeMay H.E; Bursten B.E; Burdge J.R. Química General, 12va Edición. Editorial Pearson, (2014).2. Petrucci, R.H; Herring, F. G; Madura, J.D; Bissonnette, C. Química General, 8a Edición. Editorial Pearson, (2003).
Autora
Escrito por Mahiceth Quintero Valero para la Edición #105 de Enciclopedia Asigna, en 11/2021. Mahiceth es Doctora en Química Aplicada