Catalizador

¿Alguna vez han escuchado algo de este terminajo? Probablemente. En nuestra sociedad actual, con todo esto que se está suscitando con respecto al cambio climático y cosas más verdes está ocurriendo una revolución en los campos científicos más sucios, en los cuales, tristemente, se ha incluido la química durante largo tiempo. Sin embargo, poco a poco ha cambiado, primero con los procesos poco contaminantes, como cambiar de reactivos, y posteriormente con catalizadores. Pero, ¿qué son?

Santa Wikipedia en inglés define indirectamente a los catalizadores como sustancias que catalizan una reacción química. Y si buscamos catálisis, dice que es el cambio en la velocidad de una reacción por el uso de un catalizador. Por lo anterior, podemos suponer que un catalizador es una sustancia que altera la velocidad de una reacción química. ¿Cómo sucede esto?. Para contestarlo, debemos tomar en cuenta unos diagramas llamados “Coordenada de Reacción” o “Diagramas de energía”

Ignoremos momentáneamente la línea azul y concentrémonos en la roja. En el eje vertical observamos la energía, y en el vertical, la coordenada de reacción. Esto nos indica que la reacción va a ir aumentando de energía hasta llegar a un máximo, y después disminuir hasta formar los productos. En este caso, nos dice que la reacción ocurre entre la glucosa y el oxígeno, esto es, una combustión.

                                             

Lo que un diagrama de reacción te dice es si un proceso ocupa mucha energía para darse, o también, si pasa por estados de transición o intermediarios estables. ¿Que qué?. Un estado de transición es un estado rápido que ocurre, muy inestable, por ejemplo, el oxígeno se va a acercar y se va a pegar de alguna manera que no conocemos. Ese complejo es inestable, y a eso llamamos un estado de transición, pues   con la menor disturbación el oxígeno romperá el enlace carbono carbono de la glucosa,  y formará el dióxido de carbono (CO2). En cambio, un intermediario estable es un compuesto que tiene un mínimo de energía, pero que aún así su energía es muy alta. A esto llegaré pronto y pondré un ejemplo más claro. Pero bueno, volviendo al tema. Se observa que la linea roja indica que hay un cambio muy grande en la energía para llegar de reactivos (reactants) al máximo de la curva roja (estado de transición), y que posteriormente este estado de transición se convertirá en los productos (products). Si observan, la curva roja dice “without enzyme” (sin enzima), y hay una flecha con dos puntas que indica la separación entre la energía de los reactivos y del intermediario, “activation energy without enzyme” (energía de activación sin enzima). Y esa flecha es grande. Esa “energía de activación” es la mínima energía necesaria para que la reacción ocurra de manera favorable. Si la energía es muy alta, la reacción no se dará. Ahora sí, veamos todo el diagrama. Se observa que la diferencia entre las dos líneas es que…. ok, sí, una es azul y otra roja. Pero la diferencia importante es que una indica que a la reacción se le agregó una enzima y a la otra no. Esto afecto de manera importante, pues la energía de activación (la diferencia entre el máximo y la energía de los reactivos) disminuyó para la reacción catalizada por la enzima. Se concluye entonces que un catalizador es una sustancia que disminuye la energía de activación de la reacción química, y que por ende, puede acelerar la velocidad de esta. Bueno, como conclusión secundaria podemos decir que esa enzima fungió como un catalizador.

Para que una sustancia sea un catalizador no debe reaccionar ni consumirse en el seno de la reacción y debe normalmente ser capaz de recuperarse del seno de la reacción (esto último es más importante en reactores y en la industria). Los mecanismos por los cuales un catalizador actúa son normalmente muy complejos, pues pueden unirse a los reactivos para polarizar enlaces y volverlos más reactivos, o formar intermediarios que normalmente no se formarían, o hacer una separación de las moléculas de los reactivos., o tal vez…. Como ven, hay muchas maneras de efectuar una catálisis. Normalmente, los catalizadores no son enzimas, sino compuestos de metales de transición que tienen ciertas características, tales como la capacidad de formar compuestos de coordinación y de retrodonar (esto lo veremos luego, lo juro, pero en teoría es esto de “unirse a los reactivos para polarizar enlaces y volverlos más reactivos”). Ejemplos de catalizadores son, ácidos débiles o bases en concentraciones pequeñas, y muchos, muuuchos compuestos de metales de transición, pues se ha visto que estos son buenos catalizadores: OsO4, Rh(CO)6, … y muuuchos que ni al caso ponerlos. Hago énfasis en el “muchos” puesto que cada año, realmente cada año se obtienen mejores catalizadores para las reacciones que se deseen.

Por cierto, no había comentado de manera hilada la razón por la que un catalizador contamina menos que una reacción. Pongamos un ejemplo, la oxidación del 2-butanol.

Como podemos ver, estamos “quitándole ” dos hidrógenos a la molécula de 2-butanol para volverla butanona. Del lado izquierdo se muestra una oxidación con un reactivo muy usado: Reactivo de Jones. Este reactivo contiene cromo en estado de oxidación (VI), el cual es cancerígeno y teratogénico. Del lado derecho tenemos una oxidación con ayuda de Níquel, un sólido que no es dañino relativamente. Así que. ¿cuál reacción preferirían hacer?. Por cierto, la reacción de la izquierda produce desechos como cromo (III), el cual, aunque no es tan dañino, es una lata tener que tratarlo y desecharlo de la manera apropiada. Y la reacción de la derecha genera  níquel con hidrógeno adsorbido, el cual puede ser usado para muchísimas síntesis. ¿Así o más claro?.

En mi siguiente entrada les hablaré de más catalizadores, y una base de cómo estos funcionan para dar las reacciones. Buena semana. :).

 

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