Fundamentos de la Catálisis: Tipos, Mecanismos y Propiedades

Propiedades de los Catalizadores

Un catalizador es toda sustancia capaz de hacer evolucionar un sistema químico hacia su estado de equilibrio sin alterar las propiedades del equilibrio ni consumirse en el proceso.

Características Principales:

• No es ni reactivo ni producto final neto.
• Al final del proceso, su estado es igual al inicial y se puede usar en un nuevo ciclo de catálisis.
• No altera las variables termodinámicas del proceso (ΔG, ΔH, Keq).
• Un proceso no espontáneo (ΔG > 0) NO se ve favorecido por la acción del catalizador.
• Acelera por igual las reacciones directa e inversa.
• Son muy específicos (activan solo una reacción en concreto o un tipo de reacción).

Mecanismo General de la Catálisis

Los catalizadores toman parte activa en el proceso formando compuestos intermedios que conducen el avance de la reacción química por un camino más favorable, donde las energías de activación son menores.

Catálisis Heterogénea

En la catálisis heterogénea, el catalizador está en una fase diferente a la de los reactivos (normalmente, catalizador sólido y reactivos fluidos - gases o líquidos).

Adsorción y Catálisis Heterogénea

La adsorción es un fenómeno superficial por el cual las partículas de un fluido (gas o líquido) se adhieren a la superficie de un sólido.

• Fisisorción (Adsorción Física): Las moléculas se adhieren mediante débiles fuerzas intermoleculares (fuerzas de Van der Waals). Este tipo de adsorción no es relevante para la catálisis heterogénea activa.
• Quimisorción: Las moléculas reactivas se unen a los átomos de la superficie del catalizador mediante enlaces químicos. Este proceso debilita los enlaces internos de las moléculas adsorbidas y favorece las reacciones químicas.

La catálisis heterogénea se basa fundamentalmente en la quimisorción. La energía de activación asociada a la ruptura de enlaces internos de las moléculas disminuye mucho, o incluso se anula, al ser quimisorbidas. Por eso, la velocidad de reacción aumenta significativamente.

Catálisis Homogénea y Enzimática

En la catálisis homogénea, el catalizador está disperso en la misma fase que los reactivos (mezcla de gases o disolución líquida).

• La catálisis homogénea en fase líquida se utiliza frecuentemente en laboratorios, especialmente en reacciones ácido-base.
• La catálisis homogénea en fase gaseosa tiene gran interés por sus aplicaciones medioambientales, ya que interviene en procesos químicos de la atmósfera (por ejemplo, la destrucción de la capa de ozono).

Catálisis Enzimática

Las enzimas son catalizadores biológicos (biocatalizadores), generalmente proteínas, que catalizan procesos bioquímicos.

Aunque el catalizador (enzima) está en la misma fase que los reactivos (sustratos), considerándose formalmente catálisis homogénea, su tamaño molecular es mucho mayor. Por ello, el mecanismo de acción implica un contacto superficial específico, similar en concepto a la catálisis heterogénea.

Características de las Enzimas:

• Eficacia catalítica enorme: Mucho mayor que la de los catalizadores sintéticos.
• Alta especificidad: Generalmente, una enzima cataliza una única reacción o un tipo muy específico de reacción.

Las enzimas contienen uno o más sitios activos, regiones específicas donde se unen al sustrato y ejercen su actividad catalítica.

Mecanismo de Acción Enzimática (Modelo Simplificado):

El modelo más simple es el de llave-cerradura:

1. El sustrato (S) se acopla específicamente al sitio activo de la enzima (E), que lo reconoce.
2. Se forma un complejo enzima-sustrato (ES).
3. Tiene lugar la reacción química, transformando el sustrato en producto (P).
4. El producto se libera y la enzima queda libre para un nuevo ciclo.

El mecanismo se representa como:

E + S ⇌ ES → E + P

La formación del complejo ES crea una nueva ruta de reacción hacia los productos que requiere una menor energía de activación. Esto hace que el proceso sea mucho más rápido y altamente específico.