Omitir e ir al contenidoIr a la página de accesibilidadMenú de atajos de teclado
Logo de OpenStax
Química 2ed

12.7 Catálisis

Química 2ed12.7 Catálisis

Menú
Índice
  1. Prefacio
  2. 1 Ideas esenciales
    1. Introducción
    2. 1.1 La química en su contexto
    3. 1.2 Fases y clasificación de la materia
    4. 1.3 Propiedades físicas y químicas
    5. 1.4 Mediciones
    6. 1.5 Incertidumbre, exactitud y precisión de las mediciones
    7. 1.6 Tratamiento matemático de los resultados de las mediciones
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  3. 2 Átomos, moléculas e iones
    1. Introducción
    2. 2.1 Las primeras ideas de la teoría atómica
    3. 2.2 Evolución de la teoría atómica
    4. 2.3 Estructura atómica y simbolismo
    5. 2.4 Fórmulas químicas
    6. 2.5 La tabla periódica
    7. 2.6 Compuestos iónicos y moleculares
    8. 2.7 Nomenclatura química
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  4. 3 Composición de sustancias y soluciones
    1. Introducción
    2. 3.1 La fórmula de masa y el concepto de mol
    3. 3.2 Determinación de fórmulas empíricas y moleculares
    4. 3.3 Molaridad
    5. 3.4 Otras unidades para las concentraciones de las soluciones
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  5. 4 Estequiometría de las reacciones químicas
    1. Introducción
    2. 4.1 Escritura y balance de ecuaciones químicas
    3. 4.2 Clasificación de las reacciones químicas
    4. 4.3 Estequiometría de la reacción
    5. 4.4 Rendimiento de la reacción
    6. 4.5 Análisis químico cuantitativo
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  6. 5 Termoquímica
    1. Introducción
    2. 5.1 Conceptos básicos de energía
    3. 5.2 Calorimetría
    4. 5.3 Entalpía
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  7. 6 Estructura electrónica y propiedades periódicas de los elementos
    1. Introducción
    2. 6.1 Energía electromagnética
    3. 6.2 El modelo de Bohr
    4. 6.3 Desarrollo de la teoría cuántica
    5. 6.4 Estructura electrónica de los átomos (configuraciones de electrones)
    6. 6.5 Variaciones periódicas de las propiedades de los elementos
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  8. 7 Enlace químico y geometría molecular
    1. Introducción
    2. 7.1 Enlace iónico
    3. 7.2 Enlace covalente
    4. 7.3 Símbolos y estructuras de Lewis
    5. 7.4 Cargas formales y resonancia
    6. 7.5 Fuerza de los enlaces iónicos y covalentes
    7. 7.6 Estructura molecular y polaridad
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  9. 8 Teorías avanzadas del enlace covalente
    1. Introducción
    2. 8.1 Teoría de enlace de valencia
    3. 8.2 Orbitales atómicos híbridos
    4. 8.3 Enlaces múltiples
    5. 8.4 Teoría de los orbitales moleculares
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  10. 9 Gases
    1. Introducción
    2. 9.1 Presión del gas
    3. 9.2 Relaciones entre presión, volumen, cantidad y temperatura: la ley de los gases ideales
    4. 9.3 Estequiometría de sustancias gaseosas, mezclas y reacciones
    5. 9.4 Efusión y difusión de los gases
    6. 9.5 La teoría cinético-molecular
    7. 9.6 Comportamiento no ideal de los gases
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  11. 10 Líquidos y sólidos
    1. Introducción
    2. 10.1 Fuerzas intermoleculares
    3. 10.2 Propiedades de los líquidos
    4. 10.3 Transiciones de fase
    5. 10.4 Diagramas de fase
    6. 10.5 El estado sólido de la materia
    7. 10.6 Estructuras de red en los sólidos cristalinos
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  12. 11 Soluciones y coloides
    1. Introducción
    2. 11.1 El proceso de disolución
    3. 11.2 Electrolitos
    4. 11.3 Solubilidad
    5. 11.4 Propiedades coligativas
    6. 11.5 Coloides
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  13. 12 Cinética
    1. Introducción
    2. 12.1 Tasas de reacciones químicas
    3. 12.2 Factores que afectan las tasas de reacción
    4. 12.3 Leyes de velocidad
    5. 12.4 Leyes de tasas integradas
    6. 12.5 Teoría de colisiones
    7. 12.6 Mecanismos de reacción
    8. 12.7 Catálisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  14. 13 Conceptos fundamentales del equilibrio
    1. Introducción
    2. 13.1 Equilibrio químico
    3. 13.2 Constantes de equilibrio
    4. 13.3 Equilibrios cambiantes: el principio de Le Châtelier
    5. 13.4 Cálculos de equilibrio
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  15. 14 Equilibrios ácido-base
    1. Introducción
    2. 14.1 Ácidos y Bases de Brønsted-Lowry
    3. 14.2 pH y pOH
    4. 14.3 Fuerza relativa de los ácidos y las bases
    5. 14.4 Hidrólisis de sales
    6. 14.5 Ácidos polipróticos
    7. 14.6 Tampones
    8. 14.7 Titulaciones ácido-base
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  16. 15 Equilibrios de otras clases de reacción
    1. Introducción
    2. 15.1 Precipitación y disolución
    3. 15.2 Ácidos y Bases de Lewis
    4. 15.3 Equilibrios acoplados
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  17. 16 Termodinámica
    1. Introducción
    2. 16.1 Espontaneidad
    3. 16.2 Entropía
    4. 16.3 La segunda y la tercera ley de la termodinámica
    5. 16.4 Energía libre
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  18. 17 Electroquímica
    1. Introducción
    2. 17.1 Repaso de química redox
    3. 17.2 Celdas galvánicas
    4. 17.3 Potenciales del electrodo y de la celda
    5. 17.4 Potencial, energía libre y equilibrio
    6. 17.5 Baterías y pilas de combustible
    7. 17.6 Corrosión
    8. 17.7 Electrólisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  19. 18 Metales representativos, metaloides y no metales
    1. Introducción
    2. 18.1 Periodicidad
    3. 18.2 Incidencia y preparación de los metales representativos
    4. 18.3 Estructura y propiedades generales de los metaloides
    5. 18.4 Estructura y propiedades generales de los no metales
    6. 18.5 Incidencia, preparación y compuestos de hidrógeno
    7. 18.6 Incidencia, preparación y propiedades de los carbonatos
    8. 18.7 Incidencia, preparación y propiedades del nitrógeno
    9. 18.8 Incidencia, preparación y propiedades del fósforo
    10. 18.9 Incidencia, preparación y compuestos del oxígeno
    11. 18.10 Incidencia, preparación y propiedades del azufre
    12. 18.11 Incidencia, preparación y propiedades de los halógenos
    13. 18.12 Incidencia, preparación y propiedades de los gases nobles
    14. Términos clave
    15. Resumen
    16. Ejercicios
  20. 19 Metales de transición y química de coordinación
    1. Introducción
    2. 19.1 Incidencia, preparación y propiedades de los metales de transición y sus compuestos
    3. 19.2 Química de coordinación de los metales de transición
    4. 19.3 Propiedades espectroscópicas y magnéticas de los compuestos de coordinación
    5. Términos clave
    6. Resumen
    7. Ejercicios
  21. 20 Química orgánica
    1. Introducción
    2. 20.1 Hidrocarburos
    3. 20.2 Alcoholes y éteres
    4. 20.3 Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres
    5. 20.4 Aminas y amidas
    6. Términos clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  22. 21 Química nuclear
    1. Introducción
    2. 21.1 Estructura y estabilidad nuclear
    3. 21.2 Ecuaciones nucleares
    4. 21.3 Decaimiento radiactivo
    5. 21.4 Transmutación y energía nuclear
    6. 21.5 Usos de los radioisótopos
    7. 21.6 Efectos biológicos de la radiación
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  23. A La tabla periódica
  24. B Matemáticas esenciales
  25. C Unidades y factores de conversión
  26. D Constantes físicas fundamentales
  27. E Propiedades del agua
  28. F Composición de los ácidos y las bases comerciales
  29. G Propiedades termodinámicas estándar de determinadas sustancias
  30. H Constantes de ionización de los ácidos débiles
  31. I Constantes de ionización de las bases débiles
  32. J Productos de solubilidad
  33. K Constantes de formación de iones complejos
  34. L Potenciales de electrodos estándar (media celda)
  35. M Semivida de varios isótopos radiactivos
  36. Clave de respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
    17. Capítulo 17
    18. Capítulo 18
    19. Capítulo 19
    20. Capítulo 20
    21. Capítulo 21
  37. Índice

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Explicar la función de un catalizador en términos de mecanismos de reacción y diagramas de energía potencial
  • Enumerar ejemplos de catálisis en procesos naturales e industriales

Entre los factores que afectan a la velocidad de las reacciones químicas que se han analizado anteriormente en este capítulo se encuentra la presencia de un catalizador, una sustancia que puede aumentar la velocidad de reacción sin consumirse en la misma. Los conceptos introducidos en la sección anterior sobre los mecanismos de reacción proporcionan la base para entender cómo los catalizadores son capaces de cumplir esta función tan importante.

La Figura 12.19 muestra diagramas de reacción para un proceso químico en ausencia y presencia de un catalizador. La inspección de los diagramas revela varios rasgos de estas reacciones. En consonancia con el hecho de que los dos diagramas representan la misma reacción global, ambas curvas comienzan y terminan en las mismas energías (en este caso, como los productos son más energéticos que los reactivos, la reacción es endotérmica). Sin embargo, los mecanismos de reacción son claramente diferentes. La reacción no catalizada procede a través de un mecanismo de un paso (un estado de transición observado), mientras que la reacción catalizada sigue un mecanismo de dos pasos (dos estados de transición observados) con una energía de activación notablemente menor. Esta diferencia ilustra el medio por el que un catalizador funciona para acelerar las reacciones, es decir, proporcionando un mecanismo de reacción alternativo con una energía de activación más baja. Aunque el mecanismo de reacción catalizado para una reacción no tiene por qué implicar un número de pasos diferente al del mecanismo no catalizado, debe proporcionar una ruta de reacción cuyo paso determinante de la velocidad sea más rápido (menor Ea).

Se muestra un gráfico con la etiqueta "Extensión de la reacción" que aparece en una flecha que apunta a la derecha debajo del eje x y la etiqueta "Energía" en una flecha que apunta hacia arriba justo a la izquierda del eje y. Aproximadamente a una quinta parte del eje y, se muestra una porción muy corta y algo aplanada de una curva roja y otra azul. Esta región está etiquetada marcada "Reactivos". Una curva roja cóncava hacia abajo se extiende hacia arriba para alcanzar un máximo cerca de la altura del eje y. Desde el pico, la curva continúa hacia abajo hasta una segunda región horizontalmente aplanada a una altura de aproximadamente un tercio de la altura del eje y. Esta región aplanada está etiquetada como "Productos". Una segunda curva se dibuja en azul con las mismas regiones aplanadas al principio y al final de la curva. La altura de esta curva es aproximadamente dos tercios de la altura de la primera curva y justo a la derecha de su máximo, la curva baja, luego vuelve a subir y continúa una tendencia descendente a una altura menor, pero similar a la de la curva roja. Una línea recta horizontal discontinua se extiende desde el punto donde comienzan ambas curvas en la región de "Reactivos". Una flecha de doble punta se extiende desde la región de "Productos" al final de ambas curvas hasta esta línea horizontal discontinua. Está etiquetada como "delta mayúscula H". Una flecha de doble punta se extiende desde la línea horizontal discontinua hasta el pico de la curva roja cóncava hacia abajo. Esta flecha está marcada como "E subíndice a". Otra flecha de doble punta se extiende desde la línea horizontal discontinua hasta el pico de la curva azul. Esta flecha está marcada como "E subíndice a".
Figura 12.19 Diagramas de reacción para un proceso endotérmico en ausencia (curva roja) y en presencia (curva azul) de un catalizador. La trayectoria catalizada implica un mecanismo de dos pasos (note la presencia de dos estados de transición) y una especie intermedia (representada por el valle entre los dos estados de transición).

Ejemplo 12.15

Diagramas de reacción para reacciones catalizadas

Los dos diagramas de reacción representan la misma reacción: uno sin catalizador y otro con catalizador. Calcule la energía de activación para cada proceso e identifique cuál de ellos implica un catalizador. En esta figura se muestran dos gráficos. Los ejes de la x están etiquetados como "Extensión de la reacción" y los ejes de la y como "Energía ( k J )". Los ejes de la y están marcados de 0 a 50 en intervalos de cinco. En a, se muestra una curva azul. Comienza con un segmento horizontal en torno a 6. A continuación, la curva sube bruscamente cerca de la mitad para alcanzar un máximo de aproximadamente 32 y, del mismo modo, baja hasta otro segmento horizontal cerca de 10. En b, la curva comienza y termina de forma similar, pero el máximo alcanzado cerca del centro del gráfico es solo de 20.

Solución

Las energías de activación se calculan restando la energía del reactivo a la energía del estado de transición.
diagrama (a):Ea=32kJ6kJ=26kJ diagrama (b):Ea=20kJ6kJ=14kJdiagrama (a):Ea=32kJ6kJ=26kJ diagrama (b):Ea=20kJ6kJ=14kJ

La reacción catalizada es la que tiene menor energía de activación, en este caso representada por el diagrama b.

Compruebe lo aprendido

A continuación se muestran los diagramas de reacción de un proceso químico con y sin catalizador. Ambas reacciones implican un mecanismo de dos pasos con un primer paso determinante de la velocidad. Calcule las energías de activación para el primer paso de cada mecanismo e identifique cuál corresponde a la reacción catalizada. ¿Cómo se comparan los segundos pasos de estos dos mecanismos? En esta figura se muestran dos gráficos. Los ejes de la x están etiquetados como "Extensión de la reacción" y los ejes de la y como "Energía ( k J )". Los ejes de la y están marcados de 0 a 100 en intervalos de 10. En a, se muestra una curva azul. Comienza con un segmento horizontal en torno a 10. A continuación, la curva sube bruscamente cerca de la mitad para alcanzar un máximo de aproximadamente 91, luego baja bruscamente hasta aproximadamente 52, vuelve a subir bruscamente hasta aproximadamente 73 y baja hasta otro segmento horizontal a aproximadamente 5. En b, la curva comienza y termina de forma similar, pero el primer pico alcanza aproximadamente 81, baja a aproximadamente 55, luego sube a aproximadamente 77 antes de caer a la región horizontal hasta aproximadamente 5.

Respuesta:

Para el primer paso, Ea = 80 kJ para (a) y 70 kJ para (b), por lo que el diagrama (b) representa la reacción catalizada. Las energías de activación para los segundos pasos de ambos mecanismos son las mismas, 20 kJ.

Catalizadores homogéneos

Un catalizador homogéneo está presente en la misma fase que los reactivos. Interactúa con un reactivo para formar una sustancia intermedia, que luego se descompone o reacciona con otro reactivo en uno o más pasos para regenerar el catalizador original y formar el producto.

Como ilustración importante de la catálisis homogénea, consideremos la capa de ozono de la Tierra. El ozono de la atmósfera superior, que protege a la Tierra de la radiación ultravioleta, se forma cuando las moléculas de oxígeno absorben la luz ultravioleta y sufren la reacción:

3O2(g)hv2O3(g)3O2(g)hv2O3(g)

El ozono es una molécula relativamente inestable que se descompone para formar oxígeno diatómico mediante la inversión de esta ecuación. Esta reacción de descomposición es consistente con el siguiente mecanismo de dos pasos:

O3O2+OO+O32O2O3O2+OO+O32O2

Varias sustancias pueden catalizar la descomposición del ozono. Por ejemplo, se cree que la descomposición del ozono catalizada por el óxido nítrico se produce mediante el siguiente mecanismo de tres pasos:

NO(g)+O3(g)NO2(g)+O2(g)O3(g)O2(g)+O(g)NO2(g)+O(g)NO(g)+O2(g)NO(g)+O3(g)NO2(g)+O2(g)O3(g)O2(g)+O(g)NO2(g)+O(g)NO(g)+O2(g)

Como se requiere, la reacción global es la misma tanto para el mecanismo de dos pasos sin catalizar como para el mecanismo de tres pasos catalizado por NO:

2O3(g)3O2(g)2O3(g)3O2(g)

Observe que el NO es un reactivo en el primer paso del mecanismo y un producto en el último paso. Este es otro rasgo característico de un catalizador: Si bien participa en la reacción química, no se consume en ella.

Retrato de un químico

Mario J. Molina

El Premio Nobel de Química de 1995 fue compartido por Paul J. Crutzen, Mario J. Molina (Figura 12.20), y F. Sherwood Rowland "por sus trabajos en química atmosférica, especialmente en lo que se refiere a la formación y descomposición del ozono".1 Molina, de nacionalidad mexicana, realizó la mayor parte de su trabajo en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

Se muestra una fotografía de Mario Molina. A la derecha de la foto, se muestra una imagen del hemisferio sur de la Tierra con una región circular central en color púrpura con un radio de aproximadamente la mitad de todo el hemisferio. Justo fuera de esta región hay una banda estrecha de color azul real, seguida de una banda exterior fina de color azul turquesa. La mayor parte de la región más externa es verde. Dos bandas pequeñas de color amarillo están presentes en las regiones inferiores de la imagen.
Figura 12.20 (a) El químico mexicano Mario Molina (1943 -) compartió el Premio Nobel de Química en 1995 por sus investigaciones sobre (b) el agujero de ozono de la Antártida (créditos: a: cortesía de Mario Molina; b: modificación del trabajo de la NASA).

En 1974, Molina y Rowland publicaron un artículo en la revista Nature en el que detallaban la amenaza de los gases de clorofluorocarbono para la estabilidad de la capa de ozono en la atmósfera superior de la Tierra. La capa de ozono protege a la Tierra de la radiación solar absorbiendo la luz ultravioleta. A medida que las reacciones químicas reducen la cantidad de ozono en la atmósfera superior, se forma un "agujero" medible sobre la Antártida, y un aumento de la cantidad de radiación ultravioleta solar (fuertemente relacionada con la prevalencia de los cánceres de piel) llega a la superficie de la Tierra. El trabajo de Molina y Rowland fue decisivo para la adopción del Protocolo de Montreal, un tratado internacional firmado en 1987 que inició con éxito la eliminación de la producción de sustancias químicas relacionadas con la destrucción del ozono.

Molina y Rowland demostraron que los átomos de cloro de las sustancias químicas de origen humano pueden catalizar la destrucción del ozono en un proceso similar al que acelera el agotamiento del NO. Los átomos de cloro se generan cuando los clorocarbonos o los clorofluorocarbonos (que se utilizaban ampliamente como refrigerantes y propulsores) se descomponen fotoquímicamente por la luz ultravioleta o reaccionan con radicales hidroxilos. Aquí se muestra un mecanismo de ejemplo utilizando cloruro de metilo:

CH3Cl+OHCl+otros productosCH3Cl+OHCl+otros productos

Los radicales de cloro descomponen el ozono y se regeneran mediante el siguiente ciclo catalítico:

Cl+O3ClO+O2ClO+OCl+O2reacción global:O3+O2O2Cl+O3ClO+O2ClO+OCl+O2reacción global:O3+O2O2

Un solo cloro monatómico puede romper miles de moléculas de ozono. Por suerte, la mayor parte del cloro atmosférico existe como formas catalíticamente inactivas Cl2 y ClONO2.

Desde que recibió su parte del Premio Nobel, Molina ha seguido trabajando en química atmosférica en el MIT.

Cómo se interconectan las ciencias

Deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa

Las enzimas del cuerpo humano actúan como catalizadores de reacciones químicas importantes en el metabolismo celular. Por ello, la deficiencia de una enzima concreta puede traducirse en una enfermedad posiblemente mortal. La deficiencia de G6PD (glucosa-6-fosfato deshidrogenasa), una condición genética que resulta en una escasez de la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, es la deficiencia enzimática más común en los seres humanos. Esta enzima, que se muestra en la Figura 12.21, es la enzima limitante de la velocidad de la vía metabólica que suministra NADPH a las células (Figura 12.22).

Se muestra un modelo en color de la estructura de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa. La molécula tiene dos lóbulos distintos que están llenos de regiones en forma de cinta en espiral de color amarillo, lavanda, azul, plata, verde y rosa.
Figura 12.21 La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa es una enzima limitante de la velocidad de la vía metabólica que suministra NADPH a las células.

Una alteración en esta vía puede conllevar a una reducción del glutatión en los glóbulos rojos; una vez que se consume todo el glutatión, las enzimas y otras proteínas como la hemoglobina son susceptibles de sufrir daños. Por ejemplo, la hemoglobina puede metabolizarse en bilirrubina, lo que provoca ictericia, una condición que puede llegar a ser grave. Las personas que padecen una deficiencia de G6PD deben evitar ciertos alimentos y medicamentos que contienen sustancias químicas que pueden provocar daños en sus glóbulos rojos deficientes en glutatión.

En esta figura se diagrama un mecanismo de reacción. A la izquierda, el nombre Glucosa va seguido de una flecha horizontal que apunta a la derecha, etiquetada como "Hexoquinasa". Debajo de esta flecha y a la izquierda hay una forma de estrella amarilla etiquetada como "A T P". Una flecha curva se extiende desde esta forma hasta la flecha que apunta a la derecha, y hacia abajo a la derecha hasta un pequeño óvalo marrón etiquetado como "A D P". A la derecha de la flecha horizontal se encuentra el nombre Glucosa 6 fosfato, que va seguido de otra flecha horizontal que apunta a la derecha y que lleva la etiqueta "G 6 P D". Un rectángulo pequeño naranja debajo y a la izquierda de esta flecha lleva la etiqueta "N A D P superíndice más". Una flecha curva se extiende desde esta forma hasta la flecha que apunta a la derecha, y baja hacia la derecha hasta un rectángulo pequeño de color salmón etiquetado como "N A P D H". Una flecha curva se extiende desde esta forma por debajo y a la izquierda, de vuelta al rectángulo naranja etiquetado como "N A D P superíndice más". Otra flecha curva se extiende desde un óvalo verde etiquetado como "G S S G" debajo del rectángulo naranja, hasta la flecha que se curva de vuelta al rectángulo naranja. Esta última flecha curva continúa en la parte inferior derecha hasta un segundo óvalo verde etiquetado como "G S H". El extremo de esta flecha curva está etiquetado como "Glutatión reductasa". A la derecha de la flecha horizontal más a la derecha aparece el nombre 6 fosfogluconato.
Figura 12.22 En el mecanismo de la vía de las pentosas fosfato, la G6PD cataliza la reacción que regula el NADPH, una coenzima que regula el glutatión, un antioxidante que protege los glóbulos rojos y otras células contra el daño oxidativo.

Catalizadores heterogéneos

Un catalizador heterogéneo es un catalizador que está presente en una fase diferente (normalmente un sólido) a la de los reactivos. Estos catalizadores suelen funcionar proporcionando una superficie activa sobre la que puede producirse una reacción. Las reacciones en fase gaseosa y líquida catalizadas por catalizadores heterogéneos se producen en la superficie del catalizador y no en la fase gaseosa o líquida.

La catálisis heterogénea suele incluir los siguientes procesos:

  1. Adsorción de los reactivos en la superficie del catalizador
  2. Activación de los reactivos adsorbidos
  3. Reacción de los reactivos adsorbidos
  4. Desorción de productos de la superficie del catalizador

La Figura 12.23 ilustra los pasos de un mecanismo para la reacción de compuestos que contienen un doble enlace carbono-carbono con hidrógeno en un catalizador de níquel. El níquel es el catalizador utilizado en la hidrogenación de grasas y aceites poliinsaturados (que contienen varios dobles enlaces carbono-carbono) para producir grasas y aceites saturados (que solo contienen enlaces simples carbono-carbono).

En esta figura, se muestran cuatro diagramas etiquetados desde a hasta d. En cada uno de ellos, se muestra una superficie cuadrada verde en perspectiva para proporcionar una apariencia tridimensional. En a, la etiqueta "superficie N i" se coloca encima con un segmento de línea que se extiende hasta el cuadrado verde. En la parte inferior izquierda y en la superior derecha aparecen pares de esferas blancas unidas entre sí, así como esferas blancas en la superficie verde. Se dibujan flechas negras desde cada una de las esferas blancas de la superficie hasta la esfera blanca de la superficie verde. En b, las esferas blancas siguen presentes en la superficie verde. Cerca del centro de esta superficie hay una molécula con dos esferas negras centrales con un doble enlace indicado por dos barras negras horizontales entre ellas. Arriba y abajo, a la izquierda y a la derecha, un total de cuatro esferas blancas están conectadas a las esferas negras con varillas blancas. Un segmento de línea se extiende desde esta estructura hasta la etiqueta "Etileno adsorbido en la superficie rompiendo enlaces pi". Justo encima hay una estructura casi idéntica en gris con tres flechas que apuntan hacia abajo a la estructura en blanco y negro para indicar el movimiento hacia abajo. La etiqueta "Etileno", en la parte superior del diagrama, está conectada a la estructura gris con un segmento de línea. En c, el diagrama es muy similar al de b, salvo que la estructura y las etiquetas en gris han desaparecido y una de las esferas blancas cercanas a la estructura blanca y negra en cada par de la superficie verde está en gris. Las flechas apuntan desde las esferas blancas en gris hasta el doble enlace entre las dos esferas negras. En d, solo queda una esfera blanca de cada par en la superficie verde. Una flecha curva apunta desde el centro de la superficie verde a un modelo arriba con dos esferas negras centrales y una única varilla negra que indica un enlace simple entre ellas. Cada una de las varillas negras tiene tres pequeñas esferas blancas unidas como indican las varillas blancas entre las esferas negras y las esferas blancas pequeñas. Los cuatro enlaces alrededor de cada esfera negra están distribuidos uniformemente alrededor de las esferas negras.
Figura 12.23 Mecanismo de la reacción catalizada por el Ni C 2 H 4 + H 2 C 2 H 6 . C 2 H 4 + H 2 C 2 H 6 . (a) El hidrógeno se adsorbe en la superficie, rompiendo los enlaces H–H y formando enlaces Ni–H. (b) El etileno se adsorbe en la superficie, rompiendo el enlace C–C π y formando enlaces Ni–C. (c) Los átomos se difunden a través de la superficie y forman nuevos enlaces C–H cuando colisionan. (d) Las moléculas C2H6 se desorben de la superficie de Ni.

Muchos productos químicos importantes se preparan mediante procesos industriales que utilizan catalizadores heterogéneos, como el amoníaco, el ácido nítrico, el ácido sulfúrico y el metanol. Los catalizadores heterogéneos también se utilizan en los convertidores catalíticos de la mayoría de los automóviles de gasolina (Figura 12.24).

La química en la vida cotidiana

Convertidores catalíticos para automóviles

Los científicos desarrollaron convertidores catalíticos para reducir la cantidad de emisiones tóxicas producidas por la gasolina que se quema en los motores de combustión interna. Mediante la utilización de una mezcla cuidadosamente seleccionada de metales catalíticamente activos, es posible realizar una combustión completa de todos los compuestos que contienen carbono para convertirlos en dióxido de carbono, a la vez que se reduce la producción de óxidos de nitrógeno. Esto es particularmente impresionante si tenemos en cuenta que un paso implica añadir más oxígeno a la molécula y el otro implica eliminar el oxígeno (Figura 12.24).

Se muestra una imagen de un catalizador. En la parte superior izquierda, una flecha azul que apunta a una tubería que entra en una cámara más grande y ampliada lleva la etiqueta "Emisiones sucias". Una pequeña flecha negra que apunta a la parte inferior derecha está colocada a lo largo de la parte superior izquierda de la región ampliada. Esta flecha está etiquetada como "Oxígeno adicional de la bomba de aire". La imagen muestra el convertidor con la superficie superior retirada, dejando al descubierto un interior de color marrón rojizo. La parte del convertidor más cercana a la entrada de emisiones sucias muestra componentes pequeños y redondos en una capa interior. Esta capa está etiquetada como "Catalizador de reducción de tres vías". La región central muestra varillas pequeñas de color marrón estrechamente empaquetadas que están alineadas en paralelo al tubo de entrada de emisiones sucias. El último cuarto del interior del catalizador vuelve a mostrar una capa de pequeños círculos rojos y marrones muy juntos. Dos grandes flechas de color gris claro se extienden desde esta capa hasta la región abierta en la parte inferior derecha de la imagen hasta la etiqueta "Emisiones limpias".
Figura 12.24 Un convertidor catalítico permite la combustión de todos los compuestos que contienen carbono hasta convertirlos en dióxido de carbono, a la vez que reduce la producción de óxido de nitrógeno y otros contaminantes en las emisiones de los motores de gasolina.

La mayoría de los catalizadores modernos de tres vías poseen una superficie impregnada de un catalizador de platino y rodio, que cataliza la conversión del óxido nítrico en dinitrógeno y oxígeno, así como la conversión del monóxido de carbono y los hidrocarburos, como el octano, en dióxido de carbono y vapor de agua:

2NO2(g)N2(g)+2O2(g)2CO(g)+O2(g)2CO2(g)2C8H18(g)+25O2(g)16CO2(g)+18H2O(g)2NO2(g)N2(g)+2O2(g)2CO(g)+O2(g)2CO2(g)2C8H18(g)+25O2(g)16CO2(g)+18H2O(g)

Para que sean lo más eficaces posible, la mayoría de los catalizadores se calientan previamente con un calentador eléctrico. Esto garantiza que los metales del catalizador estén totalmente activos incluso antes de que el escape del automóvil esté lo suficientemente caliente como para mantener las temperaturas de reacción adecuadas.

Cómo se interconectan las ciencias

Estructura y función de las enzimas

El estudio de las enzimas es una interconexión importante entre la biología y la química. Las enzimas suelen ser proteínas (polipéptidos) que ayudan a controlar la velocidad de las reacciones químicas entre compuestos biológicamente importantes, especialmente los que intervienen en el metabolismo celular. Las diferentes clases de enzimas desempeñan una variedad de funciones, como se muestra en la Tabla 12.3.

Clases de enzimas y sus funciones
Clase Función
oxidoreductasas reacciones redox
transferasas transferencia de grupos funcionales
hidrolasas reacciones de hidrólisis
liasas eliminación de grupos para formar dobles enlaces
isomerasas isomerización
ligasas formación de enlaces con la hidrólisis de ATP
Tabla 12.3

Las moléculas enzimáticas poseen un sitio activo, una parte de la molécula con una forma que le permite unirse a un sustrato específico (una molécula de reactivo), formando un complejo enzima-sustrato como intermedio de la reacción. Hay dos modelos que intentan explicar cómo funciona este sitio activo. El modelo más simplista es el denominado hipótesis de la llave-cerradura, que sugiere que las formas moleculares del sitio activo y del sustrato son complementarias, encajando como una llave en una cerradura. La hipótesis del ajuste inducido, por otro lado, sugiere que la molécula de la enzima es flexible y cambia de forma para acomodar un enlace con el sustrato. Sin embargo, esto no quiere decir que el sitio activo de una enzima sea completamente maleable. Tanto el modelo de llave-cerradura como el de ajuste inducido tienen en cuenta el hecho de que las enzimas solo pueden unirse a sustratos específicos, ya que en general una enzima concreta solo cataliza una reacción determinada (Figura 12.25).

Se muestra un diagrama de dos posibles interacciones de una enzima y un sustrato. En a, que lleva la etiqueta "Llave-cerradura", se muestran dos diagramas. La primera muestra una forma verde en forma de cuña con dos depresiones pequeñas en la superficie superior de tamaño similar, pero la depresión de la izquierda tiene forma curva y la de la derecha tiene forma puntiaguda. Esta forma verde está etiquetada como "Enzima". Justo encima de ella hay dos formas más pequeñas, irregulares y de color lavanda, cada una con un saliente en su superficie inferior. La forma lavanda de la izquierda tiene un saliente curvo que coincide con la forma de la depresión de la izquierda en la forma verde de abajo. Esta proyección está sombreada en naranja y tiene una flecha curva que se extiende desde dentro hasta la depresión correspondiente en la forma verde de abajo. Del mismo modo, la forma lavanda de la derecha tiene un saliente con punta que coincide con la forma de la depresión de la derecha en la forma verde de abajo. Esta proyección está sombreada en naranja y tiene una flecha curva que se extiende desde dentro hasta la depresión correspondiente en la forma verde de abajo. Dos segmentos de línea se extienden desde las depresiones de la forma verde para formar una forma de V invertida sobre las depresiones. Encima de esto y entre las formas de color lavanda está la etiqueta "El sitio activo tiene la forma adecuada". La etiqueta "Substratos" está en la parte superior del diagrama con segmentos de línea que se extienden hasta las dos formas de color lavanda. A la derecha de este diagrama hay un segundo diagrama que muestra las formas de color lavanda colocadas una al lado de la otra, encajando perfectamente en las depresiones de la forma verde, que está etiquetada como "Enzima". Encima de este diagrama está la etiqueta "Complejo de sustrato formado". En b, etiquetado como "Ajuste inducido", se muestran dos diagramas. El primero muestra una forma de cuña verde con dos pequeñas depresiones en la superficie superior de tamaño similar, pero de forma irregular. Esta forma verde está etiquetada como "Enzima". Justo por encima de esta forma hay dos formas irregulares más pequeñas de color lavanda, cada una con un saliente en su superficie inferior. La forma lavanda de la izquierda tiene un saliente curvo. Este saliente está sombreado en naranja y tiene una flecha curva que se extiende desde él hasta la depresión irregular que se encuentra justo debajo de él en la forma verde de abajo. Del mismo modo, la forma lavanda de la derecha tiene un saliente con punta. Este saliente está sombreado en naranja y tiene una flecha curva que se extiende desde él hasta la depresión irregular que se encuentra justo debajo de él en la forma verde de abajo. Dos segmentos de línea se extienden desde las depresiones de la forma verde para formar una forma de V invertida sobre las depresiones. Encima de esto y entre las formas de color lavanda está la etiqueta "El sitio activo cambia para adaptarse". La etiqueta "Substratos" está en la parte superior del diagrama con segmentos de línea que se extienden hasta las dos formas de color lavanda. A la derecha de este diagrama hay un segundo diagrama que muestra las formas púrpuras colocadas una al lado de la otra, encajando perfectamente en las depresiones de la forma verde, que está etiquetada como "Enzima". Encima de este diagrama está la etiqueta "Complejo de sustrato formado". Los salientes de las formas de color lavanda coinciden con las formas de depresión de la forma verde, lo que resulta en un ajuste adecuado.
Figura 12.25 (a) Según el modelo de llave-cerradura, la forma del sitio activo de una enzima se ajusta perfectamente al sustrato. (b) Según el modelo de ajuste inducido, el sitio activo es algo flexible y puede cambiar de forma para unirse al sustrato.

Notas a pie de página

  • 1"The Nobel Prize in Chemistry 1995", Nobel Prize.org, consultado el 18 de febrero de 2015, http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1995/.
Cita/Atribución

¿Desea citar, compartir o modificar este libro? Este libro utiliza la Creative Commons Attribution License y debe atribuir a OpenStax.

Información de atribución
  • Si redistribuye todo o parte de este libro en formato impreso, debe incluir en cada página física la siguiente atribución:
    Acceso gratis en https://openstax.org/books/qu%C3%ADmica-2ed/pages/1-introduccion
  • Si redistribuye todo o parte de este libro en formato digital, debe incluir en cada vista de la página digital la siguiente atribución:
    Acceso gratuito en https://openstax.org/books/qu%C3%ADmica-2ed/pages/1-introduccion
Información sobre citas

© 19 may. 2022 OpenStax. El contenido de los libros de texto que produce OpenStax tiene una licencia de Creative Commons Attribution License . El nombre de OpenStax, el logotipo de OpenStax, las portadas de libros de OpenStax, el nombre de OpenStax CNX y el logotipo de OpenStax CNX no están sujetos a la licencia de Creative Commons y no se pueden reproducir sin el previo y expreso consentimiento por escrito de Rice University.