Principios y Aplicaciones de la Catálisis Química

Catálisis Homogénea

Un catalizador es una sustancia que modifica significativamente la velocidad de una reacción sin sufrir ninguna alteración química permanente. A este fenómeno se le denomina catálisis. El catalizador actúa proporcionando un mecanismo de reacción alternativo cuya energía de activación es menor. Cuando un catalizador se encuentra en la misma fase que los reactivos, se habla de catálisis homogénea. Es importante destacar que el catalizador no altera el equilibrio químico de la reacción.

Catálisis Heterogénea

En muchos procesos industriales, el catalizador se encuentra en una fase distinta a la de los reactivos, lo que se conoce como catálisis heterogénea. En las reacciones catalizadas por catalizadores en estado sólido, el mecanismo de reacción transcurre a través de un proceso donde la primera etapa consiste en la adsorción de las moléculas reactivas sobre la superficie del catalizador. Una vez que las moléculas han sido adsorbidas, se produce una relajación de los enlaces y el choque con la orientación adecuada de las moléculas de los otros reactivos. Posteriormente, se produce la desorción de los productos de reacción, dejando el punto activo del catalizador libre para catalizar nuevamente el proceso.

Catálisis Enzimática

Las reacciones bioquímicas están catalizadas por enzimas. Las enzimas son proteínas de elevado peso molecular y con una conformación tridimensional específica. El reactivo sobre el cual actúa la enzima recibe el nombre de sustrato, el cual encaja perfectamente en un punto específico de la superficie de la enzima, conocido como sitio activo. Una vez unido el sustrato, la enzima puede cambiar ligeramente su configuración (modelo de ajuste inducido), facilitando la ruptura o formación de enlaces y, consecuentemente, la liberación de los productos. Las enzimas presentan una gran especificidad por sus sustratos.

Catálisis en Biología

Las enzimas actúan como biocatalizadores esenciales en el metabolismo celular, participando tanto en procesos de catabolismo como de anabolismo. Si bien la mayoría de los biocatalizadores son proteínas, otras clases de biomoléculas también poseen propiedades catalíticas, incluyendo las ribozimas (ARN con actividad catalítica) y las desoxirribozimas (ADN con actividad catalítica). Varios factores pueden alterar la actividad de las enzimas, como la temperatura, el pH, la concentración de la enzima, la concentración del sustrato y la presencia de productos o inhibidores. Las enzimas se emplean ampliamente en la industria para preparar diversos productos químicos, incluyendo el jarabe de maíz de alta fructosa y la acrilamida.

Impacto Ambiental de la Catálisis

La catálisis tiene un impacto significativo en el medio ambiente, no solo al aumentar la eficiencia de los procesos industriales (reduciendo el consumo de energía y la generación de residuos), sino también al desempeñar un papel directo en fenómenos ambientales. Un ejemplo notable es el papel catalítico de los radicales libres en la destrucción del ozono estratosférico. Estos radicales se forman por la acción de la radiación ultravioleta sobre los clorofluorocarbonos (CFCs). El mecanismo a través del cual los CFCs atacan la capa de ozono es una reacción fotoquímica: al incidir la luz ultravioleta sobre la molécula de CFC, se libera un átomo de cloro con un electrón libre, denominado radical cloro. Este radical es extremadamente reactivo y posee una gran afinidad por el ozono (O₃), lo que provoca la ruptura de la molécula de este último. Se estima que un solo átomo de cloro podría destruir hasta 100.000 moléculas de ozono antes de ser desactivado.