Efecto de los catalizadores en las tasas de reacción

El túnel de Moffat y los catalizadores

Hay partes de los Estados Unidos que son muy montañosas, como las Montañas Rocosas en Colorado. Imagínese tratando de pasar un ferrocarril por estas empinadas subidas. Pensarías que sería imposible. ¡Bueno, casi lo fue! Sorprendentemente, a principios del siglo XX, los trenes intentaron estas subidas. Hubo pendientes difíciles con las que lidiar, y un tren requirió mucho esfuerzo para hacerlo. El tren zigzagueó hacia la montaña y el recorrido fue lento y arduo. Durante los meses de invierno, tomó aún más tiempo, porque la nieve a menudo bloqueaba el paso del tren.

Pero en 1927, se construyó el Túnel Moffat y el viaje se volvió mucho más fácil. El túnel Moffat es uno de los túneles ferroviarios más famosos de Estados Unidos y tiene más de seis millas de largo. Se abre paso a través de las Montañas Rocosas y proporciona una ruta mucho mejor para el tren. Esta nueva ruta más fácil elimina el desafío casi imposible de intentar escalar la montaña. Los tiempos de viaje se pueden medir en horas en lugar de días.

Esta historia nos ayudará a comprender cómo funcionan los catalizadores. Imagínense que las reacciones químicas son, de hecho, montañas.

¿Cómo funcionan los catalizadores?

Un catalizador se define como una sustancia química que participa en una reacción química e influye en su velocidad sin sufrir cambios permanentes. Los catalizadores químicos funcionan exactamente de la misma manera que lo hizo el túnel Moffat. Los catalizadores ofrecen una forma alternativa de ir de un lugar a otro. Es importante notar que todavía comienza y termina en el mismo lugar; simplemente va por un camino más fácil para llegar allí. Entonces, entendamos cómo hacen esto.

Aquí tenemos un diagrama de una reacción química típica:

Reacción química

Nuestra posición de partida son los reactivos: hidrógeno y cloro. Este es nuestro punto A. Terminamos en el punto B, los productos del cloruro de hidrógeno. La colina del medio es la barrera de energía que tenemos que superar para pasar del punto A al punto B.

Esta colina se llama energía de activación y es la energía necesaria para iniciar una reacción química. Para que ocurra cualquier reacción, debes superar esta barrera. Ahora, puede ver que la colina es bastante empinada, al igual que las Montañas Rocosas. Se necesita mucha energía para superarlo. Pero, mire la línea roja. Esta es la ruta que toma con un catalizador. Al igual que el túnel Moffat, puede ir del punto A al punto B mucho más fácilmente utilizando esta ruta. La ruta catalizada es una vía alternativa con un costo energético mucho menor. Tiene una energía de activación más baja y esto acelera la reacción.

Es importante darse cuenta de que lo único que cambian los catalizadores es la energía de activación. Llegas más rápido, pero dónde empiezas y dónde terminas son exactamente iguales. Entonces, si bien los catalizadores participan en la reacción, la reacción no los modifica.

Para ayudarlo a comprender esto mejor, piense en el túnel Moffat. El túnel definitivamente está involucrado en el viaje de A a B porque el tren lo atraviesa. Es el catalizador, porque acelera las cosas. Pero una vez que el tren ha pasado, el túnel sigue siendo el mismo; no ha cambiado. Está listo para que pase el próximo tren.

Catalizadores utilizados en la industria

Hasta ahora hemos aprendido que los catalizadores aceleran las reacciones químicas al reducir la energía de activación. De hecho, una pequeña disminución de la energía de activación puede aumentar drásticamente la velocidad de reacción. Por esta razón, encontrará muchos, muchos catalizadores utilizados en la industria.

Los catalizadores se pueden clasificar en dos grupos principales. Los catalizadores homogéneos están en la misma fase que los reactivos. Entonces, por ejemplo, si los reactivos están en solución acuosa, también lo está el catalizador. Los catalizadores heterogéneos están en una fase diferente a la de los reactivos. Por ejemplo, los catalizadores sólidos se utilizan a menudo para acelerar reacciones acuosas o gaseosas.

Consideremos ahora un uso específico de catalizadores en la industria. Los catalizadores se utilizan en la industria del petróleo y aportan muchos beneficios. La industria del petróleo comienza con el petróleo. El aceite no se puede usar directamente del suelo, sino que primero debe refinarse.

Los químicos utilizan una variedad de métodos para refinar el aceite; una forma es romperlo. El agrietamiento es donde se descomponen moléculas grandes en otras más pequeñas. Puede imaginarse que esto requeriría mucha energía, y el método tradicional es calentar las moléculas a una temperatura muy alta. El craqueo catalítico es un proceso en el que se utilizan catalizadores para romper moléculas más grandes en moléculas más pequeñas pero a temperaturas relativamente bajas. El uso de un catalizador ofrece una ruta alternativa para la reacción a seguir, y esta ruta alternativa no necesita temperaturas tan altas. Como resultado, se han reducido tanto la velocidad de reacción como la cantidad de energía utilizada. Todas las principales compañías petroleras tienen científicos que han desarrollado catalizadores de craqueo.

Catalizadores biológicos

En la naturaleza se encuentra una clase muy importante de catalizadores. Las enzimas son catalizadores bioquímicos que influyen en la velocidad de reacción. Las enzimas son muy específicas y cada tipo realiza una sola función. Nuestro cuerpo contiene muchos miles de enzimas, cada una de las cuales realiza un trabajo específico.

Las enzimas también son muy efectivas, a menudo aceleran las reacciones bioquímicas tanto que son miles de veces más rápidas que si la reacción no fuera catalizada. Las enzimas son esenciales para nuestra salud y, en algunos casos, críticas para nuestra supervivencia. A menudo se puede reconocer si una molécula es una enzima por su nombre. Tienden a terminar en ‘-ase’.

Un ejemplo común de enzima es la amilasa, que está presente en la saliva y descompone el almidón en azúcar. Otra enzima común es la lactasa, que se usa para digerir la lactosa, un azúcar que se encuentra en la leche. La razón por la que algunas personas son intolerantes a la lactosa es que carecen de esta enzima. La proteasa es una enzima que nos ayuda a digerir las proteínas. También es una de las enzimas que se encuentran en el limpiador de desagües. Y hay muchas, muchas más enzimas presentes en la naturaleza.

Resumen de la lección

En esta lección, aprendió que un catalizador es una sustancia química que participa en una reacción química e influye en su velocidad sin sufrir cambios permanentes. Los catalizadores funcionan reduciendo la energía de activación de la reacción química. La energía de activación es la energía necesaria para iniciar una reacción química. En la naturaleza se encuentran miles de catalizadores y se denominan enzimas. Las enzimas son moléculas bioquímicas que influyen en la velocidad de reacción. Las enzimas son muy específicas y muy eficaces, y son esenciales para nuestra salud y supervivencia.

Los resultados del aprendizaje

Después de revisar esta lección, debería tener la capacidad de:

• Definir catalizador y energía de activación.
• Explica cómo funcionan los catalizadores.
• Describir ejemplos de catalizadores utilizados en la industria y catalizadores biológicos.