Catalizadores en química. ¿Qué son? ¿Cuales son sus tipos?

¿Qué sustancias pueden ser catalizadores?

Los procesos y reacciones químicos que son catalizados ocurren en presencia de ciertas sustancias específicas llamadas catalizadores. Su tarea principal en los sistemas es reducir la energía de activación, lo que aumenta directamente la velocidad del proceso. La elección del catalizador es una cuestión clave de la que depende, por ejemplo, la eficiencia del proceso. Como catalizadores se suelen utilizar compuestos químicos específicos o sistemas del tipo núcleo-corteza. Características básicas de los catalizadores y sus funciones en sistemas:

• La presencia de un catalizador en una reacción no está incluida en la ecuación molecular de una reacción química porque no reacciona con los sustratos o productos .
• Una vez finalizada la reacción, se recupera el catalizador. Por tanto, la reacción catalítica puede describirse como cíclica.
• El catalizador debe ser fácilmente separable de los productos obtenidos de la reacción química.
• El catalizador no afecta de ninguna manera el estado de equilibrio de la reacción y, por tanto, no cambia su termodinámica.
• Los catalizadores deben tener tres características básicas: alta actividad, alta selectividad y estabilidad en el tiempo.
• Los catalizadores deben cumplir una serie de suposiciones básicas sobre su constitución, incluido el tamaño de poro correcto, fase cristalina, resistencia a la trituración, grado de reducción, propiedades de fluidización, usabilidad, composición química promedio, área superficial efectiva, tamaño de grano y otros.

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Ejemplos de catalizadores

Rieles

Los metales son muy buenos catalizadores que se utilizan fácilmente en la industria. Los metales de transición atraen un interés particular porque pueden existir en dos o más estados de oxidación, por ejemplo, hierro en óxido de hierro (II) u óxido de hierro (III). Estos metales tienen orbitales d incompletamente llenos, lo que les permite donar y aceptar electrones fácilmente de otras moléculas. En los últimos años, los catalizadores formados a partir de nanopartículas metálicas han adquirido cada vez más importancia debido a sus propiedades únicas. Platino : metal utilizado, por ejemplo, en procesos de hidrogenación o deshidrogenación de grupos funcionales en síntesis orgánica. La sustancia es químicamente inerte y estable en ambientes oxidantes y tiene un alto contenido de humedad. A temperaturas superiores a 450 ᵒC se forma en su superficie una película de dióxido de platino . El platino en los compuestos se presenta en varios estados de oxidación, pero normalmente, como catalizador, toma los valores de II o IV. Además de su uso en tecnología química, el platino también se utiliza en convertidores catalíticos de automóviles. Tiene la capacidad de unir átomos de oxígeno al óxido de carbono (II) tóxico presente en los gases de escape de los vehículos. Esto produce dióxido de carbono significativamente menos dañino. Paladio : los catalizadores de paladio participan en una variedad de reacciones orgánicas, como ciclación, hidrogenación, oxidación, isomerización, reacciones radicalarias y otras. Muestran una alta tolerancia a diferentes grupos funcionales y, a menudo, pueden proporcionar una estereoselectividad excelente, lo que ayuda a evitar la necesidad de grupos protectores específicos . Además, los catalizadores de paladio son especialmente eficaces, por ejemplo, en la hidrogenación selectiva, permitiendo obtener los productos deseados en un único ciclo de reacción. Níquel : como catalizador, el níquel desempeña un papel clave en muchas transformaciones orgánicas, como la oxidación, la reducción, la ciclación, la formación de enlaces carbono-heteroátomo y otras. Ocurre en varios estados de oxidación en los compuestos II, III y IV. El níquel es un elemento relativamente reactivo, al mismo tiempo que exhibe una alta estabilidad química. Este metal tiene una gran ventaja: es más barato que otros catalizadores de metales de transición, por lo que se utiliza a menudo como alternativa a los de paladio, por ejemplo, en reacciones de acoplamiento. Oro : algunas reacciones catalíticas se llevan a cabo en presencia de oro. Su actividad catalítica depende en gran medida del tamaño y la estructura de los cristalitos. Su efecto también depende del método de preparación. Los catalizadores de oro suelen ser conglomerados de este elemento junto con un soporte adecuado que, por ejemplo, suministra suficiente oxígeno para aumentar aún más la actividad del oro. Los complejos de este metal son muy buenos catalizadores para reacciones de formación de enlaces carbono-carbono, carbono-nitrógeno o carbono-oxígeno, ya que pueden activar fácilmente enlaces dobles y triples, p. ej. en cadenas de carbono. Ejemplos de reacciones catalizadas por oro incluyen la oxidación del óxido de carbono (II), la oxidación de alcoholes y aldehídos , reacciones de epoxidación, hidrogenación de aldehídos y otras.

Compuestos inorgánicos

Los compuestos inorgánicos, en particular los óxidos metálicos y no metálicos, las sales seleccionadas y los ácidos, son ejemplos de catalizadores inorgánicos. Normalmente, estas sustancias se depositan sobre soportes especiales, que son materiales porosos (p. ej., carbono, sílice o alúmina) que respaldan sus propiedades catalíticas (cuanto mayor es la superficie del soporte, mayor es el área de contacto entre los reactivos). Un aspecto importante a la hora de seleccionar un compuesto inorgánico como catalizador es guiarse por el número de centros activos que tiene. La presencia de un gran número de centros activos, a los que se unen los reactivos implicados en la reacción catalizada, aumenta el rendimiento de la reacción. Óxido de vanadio (V) : los catalizadores con V ₂ O ₅ como componente principal son eficaces en casi todas las reacciones de oxidación. Desempeñan un papel importante en la industria química actual. Una de las aplicaciones más importantes de estos catalizadores es la producción de ácido sulfúrico. El óxido de vanadio (V) cataliza la reacción de oxidación del óxido de azufre (IV) a óxido de azufre (VI), que luego se absorbe en ácido sulfúrico. En estos procesos, el catalizador de vanadio se denomina catalizador de contacto, ya que se encuentra en una fase diferente a la de los demás reactivos. En la industria, se suele utilizar en forma de soporte con una fase activa aplicada a su superficie. Entre sus principales ventajas destacan un bajo punto de inflamación, estabilidad durante el proceso o un alto coeficiente de absorción de polvo. Además de la producción de ácido sulfúrico, el óxido de vanadio (V) también se utiliza como catalizador en la producción de caucho, el craqueo de petróleo y la síntesis de algunos compuestos de alto peso molecular. Cloruro de aluminio : el uso más común del cloruro de aluminio como catalizador en la síntesis orgánica es la reacción de alquilación de Friedel-Crafts. El AlCl ₃ se encuentra en un estado de agregación diferente (fase sólida) que los demás reactivos, por lo que en este caso se trata de una catálisis heterogénea. Sus propiedades catalíticas se basan principalmente en el hecho de que, en cuanto a su estructura química y propiedades, se trata del llamado ácido de Lewis. Su característica principal es su capacidad para aceptar pares de electrones de bases de Lewis. El cloruro de aluminio, como catalizador y el ácido de Lewis, se combinan con moléculas seleccionadas o sus fragmentos, después de lo cual se forman complejos de transición que luego se descomponen en carbocationes. Ácido sulfúrico : el ácido sulfúrico exhibe propiedades catalíticas incluso en pequeñas cantidades para reacciones químicas seleccionadas. Ejemplos de tal transformación incluyen la reacción de esterificación del ácido acético con etanol o la reacción de nitración de compuestos aromáticos. El ácido actúa entonces como un catalizador homogéneo y, por tanto, está en el sistema, en la misma fase que los demás reactivos. Como ácido muy fuerte, cuando se introduce en el entorno de reacción, libera iones de hidrógeno que impulsan los procesos. Además, una propiedad adicional del ácido sulfúrico es su higroscopicidad. Las moléculas de agua formadas en el proceso de esterificación están unidas por el ácido y esto cambia el equilibrio por lo que se forman más productos. Recuerde, sin embargo, que esto no es el resultado de catalizar la reacción, sino que sólo se debe al cambio en el estado de equilibrio.

Biocatalizadores

Los biocatalizadores son compuestos químicos que catalizan reacciones que ocurren y surgen dentro del cuerpo humano. Son elementos cruciales en todas las transformaciones bioquímicas. No sólo aceleran tales transformaciones, sino que también muestran cierta selectividad al catalizar reacciones seleccionadas. Con diferencia, el grupo más grande de biocatalizadores son las enzimas, incluidos los catalizadores no proteicos, concretamente las ribozimas. Su cualidad específica es la capacidad de autocatálisis. Enzimas : son catalizadores altamente selectivos que aumentan significativamente tanto la velocidad como la selectividad de las reacciones metabólicas. Están involucrados en todas las reacciones químicas del organismo. Como catalizadores orgánicos (o biocatalizadores), las enzimas son producidas por las células. Pueden ser tanto proteínas simples como proteínas complejas. Se caracterizan por la presencia de dos grupos: el grupo protésico y el aofermento. Las enzimas catalizan reacciones de oxidación y reducción de compuestos orgánicos complejos, la transferencia de grupos funcionales, la hidrólisis de enlaces de diversos tipos, la destrucción de enlaces químicos, el cambio de isomerización de moléculas o la formación de nuevos enlaces covalentes. No se puede subestimar su papel en el cuerpo humano. Participan en prácticamente todos los procesos vitales, tanto anabólicos como catabólicos. Al catalizar reacciones seleccionadas, influyen significativamente en la dirección de las vías metabólicas del cuerpo.