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Catalizador de reacción química: tasas y descripción general

Publicado el 28 octubre, 2020

Definición

En química, un catalizador es cualquier sustancia que acelera una reacción química sin que se consuma en la reacción. Las enzimas son catalizadores naturales responsables de muchas reacciones bioquímicas esenciales.

¿Qué es una tasa de reacción?

Antes de que podamos pensar en los catalizadores, debemos recordarnos las velocidades de reacción o la velocidad de reacción . Cada reacción química tiene una velocidad de reacción. Este es el tiempo que se tarda en pasar de los reactivos a los productos. En un nivel muy fundamental, pensamos que las reacciones químicas son el resultado de colisiones de partículas .

Las colisiones solo resultan en una reacción química si las partículas de reactivo chocan con una cierta energía mínima. Esta energía se llama energía de activación para la reacción. Si una colisión posee una energía mayor que la energía de activación, esa colisión puede resultar en una reacción. Si una colisión tiene una energía menor que la energía de activación, las moléculas rebotarán sin cambios. La cantidad de energía de activación necesaria variará según la reacción. Normalmente, cuanto menor es la energía de activación, más rápida es la reacción.

El siguiente diagrama muestra una reacción química que va de los reactivos de la izquierda a los productos de la derecha. La energía se muestra en el eje vertical. Verás que la energía sube en el medio, y esta es la energía de activación requerida para esta reacción. Las moléculas de hidrógeno y cloruro que reaccionan tienen que chocar con suficiente energía para superar esta joroba y formar moléculas de cloruro de hidrógeno.


La vía de reacción.
La energía de activación es la energía necesaria para pasar de los reactivos a los productos.
Diagrama de la energía de activación de una reacción.

Cómo funcionan los catalizadores

Para aumentar la velocidad de una reacción, debe aumentar el número de colisiones exitosas (colisiones con suficiente energía). Una forma posible de hacer esto es proporcionar una forma alternativa para que ocurra la reacción, que tiene una energía de activación más baja. Todavía está comenzando con los mismos reactivos y terminando con los mismos productos, pero la reacción va por un camino diferente para llegar allí.

A menudo pienso en ello como en un viaje. Digamos que quiero ir de mi ciudad natal en Baltimore a Washington DC. La pregunta más importante es ¿cuánto tiempo se tarda en llegar? El tiempo de viaje es mi vía de reacción. Por un lado, puedo tomar el autobús turístico amarillo que recorre todos los pueblos de camino a DC. Esto lleva casi 2 horas. Por otro lado, podría tomar el autobús expreso azul. Esta vez el bus toma una ruta más directa y yo llego en solo 1 hora y 5 minutos. Sigo yendo desde Baltimore y terminando en DC, pero el tiempo de viaje es significativamente menor. La ruta que toma el autobús afecta la rapidez con la que llego. También se ahorra energía en el autobús expreso porque toma una ruta más directa.

Esto es exactamente lo mismo en una reacción química. Agregar un catalizador proporciona una ruta alternativa para la reacción. Esa ruta alternativa tiene una energía de activación más baja. Esto se muestra en el diagrama como una línea roja.


La vía de reacción esta vez con un catalizador.
La línea roja es la vía catalizada que tiene una energía de activación más baja. Esto acelerará la reacción.
Diagrama de la vía de reacción química que también muestra la vía catalizada.

Tipos de catalizadores

Los catalizadores se utilizan comúnmente en muchos procesos industriales para acelerarlos. Los catalizadores pueden estar en la misma fase que los reactivos, y estos se conocen como catalizadores homogéneos . También pueden estar en una fase diferente a la de los reactivos, y estos se conocen como catalizadores heterogéneos .

Un buen ejemplo de catalizador heterogéneo es el convertidor catalítico en los automóviles. Estos catalizadores transforman moléculas venenosas como el monóxido de carbono y varios óxidos de nitrógeno en los gases de escape de los automóviles en moléculas más inofensivas como el dióxido de carbono y el nitrógeno. Utilizan metales costosos como platino, paladio y rodio como catalizador heterogéneo.

Catalizadores biológicos

Los catalizadores biológicos son vitales para la vida y no estaría leyendo esto ahora si su cuerpo no contuviera miles de estos catalizadores llamados enzimas. Las enzimas permiten que nuestros cuerpos aceleren reacciones químicas complicadas que serían demasiado lentas para mantener la vida a temperaturas corporales normales.

Cada enzima individual de nuestro cuerpo tiene una reacción muy específica para catalizar. ¡Ciertamente no hacen múltiples tareas! Los ejemplos de enzimas y las reacciones específicas que catalizan incluyen:

  • La amilasa cataliza la descomposición del almidón en azúcares.
  • La proteasa cataliza la descomposición de proteínas en aminoácidos.
  • La lipasa cataliza la descomposición de grasas y aceites en ácidos grasos y glicerol.

Resumen de la lección

Los catalizadores aceleran las reacciones químicas al ofrecer una vía alternativa con una energía de activación más baja. Generalmente, cuanto menor es la energía de activación, más rápida es la reacción. Los catalizadores industriales se utilizan ampliamente y pueden ser heterogéneos (fase diferente) u homogéneos (misma fase). Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran reacciones bioquímicas complicadas.

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