Fundamentos de la Cinética Química y Fenómenos de Transporte: Difusión, Catálisis y Adsorción

Difusión y Equilibrio Químico

La difusión es un fenómeno de transporte en el que las partículas de una sustancia se mueven desde una región de mayor concentración a una región de menor concentración, como consecuencia de un gradiente de concentración. Ocurre de forma espontánea y busca igualar el potencial químico de la sustancia en todo el espacio. Es un proceso irreversible y sin consumo directo de energía externa.

Leyes de Fick

• Primera Ley de Fick: Describe cómo el flujo de masa es proporcional al gradiente de concentración.
• Segunda Ley de Fick: Describe cómo cambia la concentración con el tiempo en un punto determinado.

Clasificación de los Fenómenos de Transporte

Los principales fenómenos de transporte y sus leyes asociadas son:

1. Difusión (Transporte de materia): Ley de Fick.
2. Movimiento de Fluidos (Transporte de momento/masa): Ley de Newton (Viscosidad).
3. Conductividad Eléctrica (Transporte de cargas): Ley de Ohm.
4. Conductividad Térmica (Transporte de energía en forma de calor, Q): Ley de Fourier.

Propiedades Fundamentales de los Catalizadores

1. No inician reacciones no espontáneas (no actúan si la variación de entalpía es mayor que cero, es decir, no modifican la termodinámica del proceso).
2. No se consumen durante la reacción.
3. Disminuyen la energía de activación, acelerando la reacción al cambiar el mecanismo.
4. No modifican la posición del equilibrio químico, solo permiten que este se alcance más rápidamente.
5. Aumentan la selectividad, pudiendo influir en los productos obtenidos.

Definición de Fenómeno de Transporte

Los fenómenos de transporte son procesos irreversibles en los que se efectúa el transporte de alguna magnitud física (como masa, momento o energía) desde una región a otra del sistema. Este movimiento se debe a la acción de una determinada fuerza impulsora, lo que implica que debe existir un gradiente de alguna propiedad física.

Tipos de Catálisis: Homogénea y Heterogénea

Catálisis Homogénea

• Las especies catalíticas y los reactivos constituyen una misma fase.
• Generalmente presentan baja actividad y un bajo número de centros activos.
• Suelen operar a temperaturas medias.
• Presentan dificultades en la separación del catalizador del medio de reacción.

Catálisis Heterogénea

• Las especies catalíticas se encuentran en una fase diferente a la de los reactivos (sistemas polifásicos).
• Es de gran importancia en el campo industrial.
• La reacción se produce en la interfase.
• Típicamente, el catalizador es un sólido y los reactivos son gases o líquidos.

Mecanismo de Activación Catalítica

Un catalizador modifica el mecanismo por el que transcurre la reacción, añadiendo complejos intermedios de menor valor energético. Con esto, se disminuyen las energías de activación (Ea1 y Ea2) que están directamente relacionadas con la velocidad del proceso químico.

Diferencias entre Fisisorción y Quimisorción

Fisisorción (Adsorción Física)

• Las moléculas del gas se unen a la superficie del sólido por fuerzas de Van der Waals (débiles).
• No es específica.
• Puede formar multicapas (una segunda capa o varias).
• El valor de la entalpía de adsorción es bajo.
• Las moléculas adsorbidas mantienen una estructura muy similar a la de la molécula en fase gaseosa.

Quimisorción (Adsorción Química)

• Se produce una reacción química en la superficie del sólido.
• Las moléculas se unen por enlaces químicos (fuertes).
• Es muy específica.
• La entalpía de adsorción es significativamente mayor que en la Fisisorción.
• Las moléculas forman verdaderos enlaces con el adsorbente y su estructura molecular se modifica.