Définition – Catalyst Signaler ONU Problème

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catalizadores heterogéneos sólidos, como en los convertidores catalíticos de automóviles, están plantados en Estructuras diseñadas para maximizar su área de superficie.

catálisis es el proceso en el que la velocidad de una reacción química aumenta o disminuye por medio de una sustancia química conocida como un catalizador . A diferencia de otros reactivos que participan en la reacción química, un catalizador no se consume por la reacción en sí. El catalizador puede participar en múltiples transformaciones químicas. Los catalizadores que aceleran la reacción se llaman catalizadores positivos. Los catalizadores que ralentizan la reacción se denominan catalizadores negativos o inhibidores. Las sustancias que aumentan la actividad de los catalizadores se denominan promotores y sustancias que desactivan los catalizadores se denominan venenos catalíticos.

La característica general de la catálisis es que la reacción catalítica tiene un cambio de energía libre de limitación de tasa más baja al estado de transición. que la reacción no analizada correspondiente, lo que resulta en una velocidad de reacción más grande a la misma temperatura. Sin embargo, el origen mecanicista de la catálisis es complejo. Los catalizadores pueden afectar favorablemente el entorno de reacción, por ejemplo. Los catalizadores de ácidos para las reacciones de los compuestos de carbonilo forman intermedios específicos que no se producen naturalmente, como los ésteres de osmate en la dihidroxilación catalizada por osmio de los alquenos, o causan la lisis de los reactivos a formas reactivas, como el hidrógeno atómico en la hidrogenación catalítica.

Cinéticamente, las reacciones catalíticas se comportan como reacciones químicas típicas, es decir, la velocidad de reacción depende de la frecuencia de contacto de los reactivos en la etapa de determinación de la velocidad. Por lo general, el catalizador participa en este paso lento, y las tarifas están limitadas por la cantidad de catalizador. En la catálisis heterogénea, la difusión de reactivos a la superficie y la difusión de productos de la superficie puede determinar la tasa. Los eventos análogos asociados con la fijación de sustratos y la disociación del producto se aplican a los catalizadores homogéneos.

Aunque las reacciones no se consumen catalizadores, pueden ser inhibidas, desactivadas o destruidas por procesos secundarios. En catálisis heterogénea, los procesos secundarios típicos incluyen el coque donde el catalizador se cubre por productos laterales poliméricos. Además, los catalizadores heterogéneos pueden disolverse en la solución en un sistema de líquido sólido o evaporarse en un sistema de gas sólido.

  • 1 fondo
  • 2 Principios generales de catálisis
    • 2.1 Mecanismo típico
    • 2.2 CATERIELISIS Y REACCIÓN ENERGETICS
    • 2.3 Materiales catalíticos típicos
  • 3 tipos de catalysts
    • 3.1 catalizadores heterogéneos
    • 3.3 electrocatalysts
    • 3.4 Organocatalisis
  • 4 Significado de catálisis
    • 4.1 Procesamiento de energía
    • 4.2 químicos a granel
    • 4.3 Productos químicos finas
    • 4.4 Procesamiento de alimentos
    • 4.6 en el entorno
  • 5 HISTORIAL
  • 6 inhibidores, venenos y promotores
  • 7 Referencias
  • 9 Enlaces externos
  • Fondo

    La producción de productos químicos más importantes industrialmente implica la catálisis. Del mismo modo, la mayoría de los procesos bioquímicamente significativos están catalizados. La investigación sobre la catálisis es un campo importante en la ciencia aplicada e involucra muchas áreas de química, especialmente en la química organometálica y la ciencia de los materiales. La catálisis es relevante para muchos aspectos de la ciencia ambiental, por ejemplo. El convertidor catalítico en automóviles y la dinámica del agujero de ozono. Las reacciones catalíticas se prefieren en la química verde respetuosa con el medio ambiente debido a la cantidad reducida de residuos generados, a diferencia de las reacciones estequiométricas en las que se consumen todos los reactivos y se forman más productos secundarios. El catalizador más común es el protón (H +). Muchos metales de transición y complejos de metales de transición también se utilizan en la catálisis. Los catalizadores llamados enzimas son importantes en la biología.

    un catalizador funciona proporcionando una vía de reacción alternativa al producto de reacción. La tasa de la reacción aumenta, ya que esta vía alternativa tiene una energía de activación más baja que la ruta de reacción que no está mediada por el catalizador. La desproporción del peróxido de hidrógeno para dar agua y oxígeno es una reacción que se ve fuertemente afectada por los catalizadores:

    2 H2O2 → 2 H2O + O2

    Esta reacción se ve favorecida en el sentido de que los productos de reacción son más estables que el inicio. Material, sin embargo, la reacción no naturalizada es lenta.La descomposición del peróxido de hidrógeno es, de hecho, tan lento que las soluciones de peróxido de hidrógeno están disponibles comercialmente. Tras la adición de una pequeña cantidad de dióxido de manganeso, el peróxido de hidrógeno reacciona rápidamente de acuerdo con la ecuación anterior. Este efecto es visto fácilmente por la efervescencia de oxígeno. El dióxido de manganeso se puede recuperar sin cambios y reutilizarse indefinidamente, y por lo tanto no se consume en la reacción. En consecuencia, el dióxido de manganeso cataliza esta reacción.

    Principios generales de catálisis

    Mecanismo típico

    principal Artículo: Ciclo catalítico

    catalizadores generalmente reaccionan con uno o más reactivos para formar intermedios que posteriormente dan el producto de reacción final, en el proceso regenerando el catalizador. El siguiente es un esquema de reacción típico, donde C representa el catalizador, X e Y son reactivos, y Z es el producto de la reacción de x y y:

    x + c → xc (1) y + xc → xyc (2) XYC → CZ (3) CZ → C + Z (4)

    Aunque el catalizador se consume por reacción 1, se produce posteriormente por la reacción 4, por lo que para la reacción general:

    x + y → Z

    Como un catalizador se regenera en una reacción, a menudo se necesitan pequeñas cantidades pequeñas para aumentar la velocidad de la reacción. Sin embargo, en la práctica, los catalizadores a veces se consumen en los procesos secundarios.

    Como ejemplo de este proceso, en 2008, los investigadores daneses revelaron primero la secuencia de eventos cuando el oxígeno y el hidrógeno se combinan en la superficie del dióxido de titanio (TiO2 , o Titania) para producir agua. Con una serie de lapso de tiempo de imágenes de microscopía de túnel de escaneo, determinaron las moléculas que sufren adsorción, disociación y difusión antes de reaccionar. Los estados de reacción intermedios fueron: HO2, H2O2, luego H3O2 y el producto de reacción final (dímeros de molécula de agua), después de lo cual la molécula de agua se desorbe de la superficie del catalizador.

    catálisis y reacción energética

    genérico Diagrama de energía potencial que muestra el efecto de un catalizador en una reacción química exotérmica hipotética X + Y para dar Z. La presencia del catalizador abre una vía de reacción diferente (Se muestra en rojo) con una energía de activación más baja. El resultado final y la termodinámica general son las mismas.

    Catalizadores proporcionando un mecanismo (alternativo) que involucre un estado de transición diferente y menor energía de activación. En consecuencia, las colisiones más moleculares tienen la energía necesaria para alcanzar el estado de transición. Por lo tanto, los catalizadores pueden permitir que las reacciones que de otra manera se bloqueen o se desaceleran por una barrera cinética. El catalizador puede aumentar la velocidad de reacción o la selectividad, o permitir la reacción a temperaturas más bajas. Este efecto se puede ilustrar con una distribución de Boltzmann y un diagrama de perfil de energía.

    catalizadores no cambian la extensión de una reacción: no tienen efecto en el equilibrio químico de una reacción porque la tasa tanto de la parte delantera como La reacción inversa se ve afectada (ver también la termodinámica). El hecho de que un catalizador no cambie el equilibrio es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica. Supongamos que había tal catalizador que cambió un equilibrio. La introducción del catalizador al sistema daría lugar a una reacción para pasar al nuevo equilibrio, produciendo energía. La producción de energía es un resultado necesario, ya que las reacciones son espontáneas, si y solo si se produce energía libre Gibbs, y si no hay barrera de energía, no hay necesidad de un catalizador. Luego, eliminar el catalizador también daría lugar a reacción, produciendo energía; I.E. La adición y su proceso inverso, la eliminación, ambos producirían energía. Por lo tanto, un catalizador que podría cambiar el equilibrio sería una máquina de movimiento perpetuo, una contradicción con las leyes de la termodinámica.

    Si un catalizador cambia el equilibrio, entonces debe consumirse a medida que avanza la reacción, y Así también es un reactivo. Ilustrativo es la hidrólisis catalizada por la base de ésteres, donde el ácido carboxílico producido reacciona inmediatamente con el catalizador de la base y, por lo tanto, el equilibrio de reacción se desplaza hacia la hidrólisis.

    la unidad derivada de SI para medir la actividad catalítica de un catalizador Es el Katal, que es lunar por segundo. La actividad de un catalizador también se puede describir por el número de vuelta (o tonelada) y la eficiencia catalítica mediante la frecuencia de giro (TOF). El equivalente bioquímico es la unidad de enzimas. Para obtener más información sobre la eficiencia de la catálisis enzimática, consulte el artículo sobre enzimas.

    El catalizador estabiliza el estado de transición más de lo que estabiliza el material de partida. Disminuye la barrera cinética al disminuir la diferencia de energía entre el material de partida y el estado de transición.

    Materiales catalíticos típicos

    La naturaleza química de los catalizadores es tan diversa como la catálisis, aunque algunas generalizaciones Puede ser hecho.Los ácidos protones son probablemente los catalizadores más utilizados, especialmente para las muchas reacciones que involucran agua, incluida la hidrólisis y su reversa. Los sólidos multifuncionales a menudo son catalíticamente activos, por ejemplo. Zeolitas, alúmina y ciertas formas de carbono gráfico. Los metales de transición se usan a menudo para catalizar las reacciones redox (oxidación, hidrogenación). Muchos procesos catalíticos, especialmente aquellos que involucran hidrógeno, requieren metales de platino.

    Algunos de los llamados catalizadores son realmente precatizantes. Los precatalysts se convierten a catalizadores en la reacción. Por ejemplo, el CATALIZADOR DE WILKINSON RHCL (PPH3) 3 pierde un ligando de trifenilfosfina antes de ingresar al verdadero ciclo catalítico. Los precatalistas son más fáciles de almacenar, pero se activan fácilmente in situ. Debido a este paso de preactivación, muchas reacciones catalíticas involucran un período de inducción.

    especies químicas que mejoran la actividad catalítica se denominan co-catalizadores (cocatalizadores) o promotores en catálisis cooperativa.

    tipos de catalysts

    Los catalizadores pueden ser heterogéneos o homogéneos, dependiendo de si un catalizador existe en la misma fase que el sustrato. Los biocatalizadores a menudo se ven como un grupo separado.

    catalizadores heterogéneos

    principal: catálisis heterogénea

    Los catalizadores heterogéneos son aquellos que actúan en diferentes fases que los reactivos . La mayoría de los catalizadores heterogéneos son sólidos que actúan sobre sustratos en una mezcla de reacción líquida o gaseosa. Se conocen diversos mecanismos para las reacciones en las superficies, dependiendo de cómo ocurre la adsorción (Langmuir-Hinshelwood, Eley-Ringeal y Mars-van Krevelen). El área de superficie total de sólidos tiene un efecto importante en la tasa de reacción. Cuanto menor sea el tamaño de la partícula de catalizador, mayor será el área de superficie para una masa de partículas dada. Por ejemplo, en el proceso de gran tamaño, el hierro finamente dividido sirve como un catalizador para la síntesis de amoníaco de nitrógeno e hidrógeno. . Los gases que reaccionan adsorban sobre «sitios activos» en las partículas de hierro. Una vez adsorbida, los enlaces dentro de las moléculas de reacción se debilitan, y los nuevos bonos entre los fragmentos resultantes se forman en parte debido a su proximidad. De esta manera, el triple enlace particularmente fuerte en el nitrógeno se debilita y el hidrógeno y los átomos de nitrógeno se combinan más rápido de lo que sería el caso en la fase gaseosa, por lo que la velocidad de reacción aumenta.

    Los catalizadores heterogéneos son típicamente «apoyados «Lo que significa que el catalizador se dispersa en un segundo material que mejora la efectividad o minimiza su costo. A veces, el soporte es simplemente una superficie sobre la cual se extiende el catalizador para aumentar la superficie. Más a menudo, el soporte y el catalizador interactúan. , que afecta la reacción catalítica.

    catalizadores homogéneos

    Artículo principal: catálisis homogénea

    Catalizadores homogéneos funcionan en la misma fase que los reactivos, pero los principios mecanicistas invocados En la catálisis heterogénea son generalmente aplicables. Los catalizadores homogéneos generalmente se disuelven en un disolvente con los sustratos. Un ejemplo de catálisis homogénea implica la influencia de H + en la esterificación de los ésteres, por ejemplo, Acetato de tilo de ácido acético y metanol. Para los químicos inorgánicos, la catálisis homogénea a menudo es sinónimo de catalizadores organometálicos.

    electrocatalysts

    principal Artículo: Electrocatalyst

    En el contexto de la electroquímica, específicamente en ingeniería de celdas de combustible. Los diversos catalizadores que contienen metales se utilizan para mejorar las tasas de las medias reacciones que comprenden la celda de combustible. Un tipo común de electrocatalizador de celda de combustible se basa en nanopartículas de platino que se apoyan en partículas de carbono ligeramente más grandes. Cuando este electrocatalizador de platino está en contacto con uno de los electrodos en una celda de combustible, aumenta la velocidad de reducción de oxígeno a agua (o hidróxido o peróxido de hidrógeno).

    organoCatalisis

    principal Artículo: Organocatalisis

    Considerando que los metales de transición a veces atraen la mayor parte de la atención en el estudio de la catálisis, las moléculas orgánicas sin metales también pueden poseer propiedades catalíticas. Típicamente, los catalizadores orgánicos requieren una carga más alta (o una cantidad de catalizador por unidad de reactivo) que los catalizadores de transición basados en metal, pero estos catalizadores generalmente están disponibles comercialmente a granel, lo que ayuda a reducir los costos. A principios de la década de 2000, los organocatalizadores se consideraron «nueva generación» y son competitivos a los catalizadores tradicionales que contienen metal. Las reacciones enzimáticas operan a través de los principios de catálisis orgánica.

    SIGNIFICACIÓN DE LA CATALISIÓN

    Las estimaciones son que el 90% de todos los productos químicos producidos comercialmente involucran a los catalizadores en algún momento en el proceso de su fabricación. En 2005, los procesos catalíticos generaron alrededor de $ 900 mil millones en productos de todo el mundo. (PDF) La catálisis es tan generalizada que las subáreas no se clasifican fácilmente. Algunas áreas de concentración particular se encuentran a continuación.

    Procesamiento de energía

    El refino del petróleo hace uso intensivo de la catálisis para la alquilación, el agrietamiento catalítico (rompiendo los hidrocarburos de cadena larga en piezas más pequeñas), la reforma de la nafta y el reformado de vapor (conversión de hidrocarburos en síntesis. gas). Incluso el escape de la quema de combustibles fósiles se trata a través de catálisis: convertidores catalíticos, típicamente compuestos de platino y rodio, descompone algunos de los subproductos más dañinos de escape de automóvil.

    2 CO + 2 NO → 2 CO2 + N2

    Con respecto a los combustibles sintéticos, un proceso antiguo pero aún importante es la síntesis de los hidrocarburos de Fischer-Tropsch del gas de síntesis, que se procesa a través de reacciones de cambio de gas-agua, catalizadas por hierro. El biodiesel y los biocombustibles relacionados requieren el procesamiento a través de las células de combustible inorgánicas y biocatalizadores.

    Confiar en catalizadores para las reacciones anódicas y catódicas.

    químicos a granel

    algunos de Los productos químicos de mayor escala se producen a través de la oxidación catalítica, a menudo usando oxígeno. Los ejemplos incluyen ácido nítrico (de amoníaco), ácido sulfúrico (de dióxido de azufre al trióxido de azufre por el proceso de la cámara), ácido tereftálico de p-xileno y acrilonitrilo de propano y amoníaco.

    Muchos otros productos químicos son generado por reducción a gran escala, a menudo a través de la hidrogenación. El ejemplo de mayor escala es el amoníaco, que se prepara a través del proceso de producción de nitrógeno. El metanol se prepara a partir de monóxido de carbono.

    Los polímeros a granel derivados de etileno y propileno a menudo se preparan a través de la catálisis Ziegler-Natta. Los poliésteres, las poliamidas y los isocianatos se derivan a través de catálisis de ácido-base.

    La mayoría de los procesos de carbonilación requieren catalizadores metálicos, los ejemplos incluyen el proceso de ácido acético Monsanto y la hidroformilación.

    productos químicos finos

    Se preparan muchos productos químicos finos a través de la catálisis; Los métodos incluyen los de la industria pesada, así como los procesos más especializados que serían prohibitivamente caros a gran escala. Los ejemplos incluyen metátesis de olefina utilizando el catalizador de grubbs, la reacción de Heck y las reacciones de Friedel-Crafts.

    Debido a que la mayoría de los compuestos bioactivos son quirales, muchos productos farmacéuticos son producidos por catálisis enantioselectiva.

    procesamiento de alimentos

    Una de las aplicaciones más obvias de la catálisis es la hidrogenación (reacción con gas de hidrógeno) de grasas utilizando el catalizador de níquel para producir margarina. Muchos otros productos alimenticios se preparan a través de biocatalisis (ver más abajo).

    biología

    principal: biocatalisis

    En la naturaleza, las enzimas son catalizadores en el metabolismo y el catabolismo. La mayoría de los biocatalizadores se basan en proteínas, es decir, enzimas, pero otras clases de biomoléculas también exhiben propiedades catalíticas, incluidas las ribozimas, y las desoxiribozimas sintéticas.

    Los biocatalizadores pueden considerarse intermedios entre catalizadores homogéneos y heterogéneos, aunque estrictamente hablando soluble Las enzimas son catalizadores homogéneos y enzimas unidas a la membrana son heterogéneas. Varios factores afectan la actividad de las enzimas (y otros catalizadores), incluida la temperatura, el pH, la concentración de enzimas, sustrato y productos. Un reactivo particularmente importante en las reacciones enzimáticas es el agua, que es el producto de muchas reacciones formadoras de bonos y un reactivo en muchos procesos de rotura de enlaces. Se emplean enzimas para preparar muchos productos químicos de la mercancía, incluyendo maíz de alta fructosa. Jarabe y acrilamida.

    en el entorno

    La catálisis afecta el medio ambiente al aumentar la eficiencia de los procesos industriales, pero la catálisis también desempeña un papel directo en el medio ambiente. Un ejemplo notable es el papel catalítico de los radicales libres de cloro en la descomposición del ozono. Estos radicales están formados por la acción de la radiación ultravioleta en clorofluorocarbonos (CFC).

    cl · + O3 → CLO · + O2 CLO · + O · → CL · + O2

    Historia

    En un sentido general, cualquier cosa que aumente la tasa de un proceso es un «catalizador», un término derivado de griego καταλύειν, que significa «anular» o «a desatar» o «para recoger». Los procesos catalizados por la frase fueron acuñados por Jöns Jakob Berzelius en 1836 para describir reacciones que se aceleran por sustancias que permanecen sin cambios después de la reacción. Otros químicos tempranos involucrados en la catálisis fueron Alexander Mitscherlich que se refirieron a los procesos de contacto y Johann Wolfgang Döbereiner que hablaron de acción de contacto y cuyo encendedor basado en hidrógeno y una esponja de platino se convirtieron en un gran éxito comercial en la década de 1820. Humphry Davy descubrió el uso de platino en catálisis. En la década de 1880, Wilhelm Ostwald en la Universidad de Leipzig inició una investigación sistemática sobre las reacciones que se catalizaron mediante la presencia de ácidos y bases, y encontró que las reacciones químicas ocurren en las tasas finitas y que estas tasas se pueden usar para determinar las fortalezas de los ácidos y bases. . Para este trabajo, Ostwald fue galardonado con el Premio Nobel de Química de 1909.

    Los inhibidores, los venenos y los promotores

    Sustancias que reducen la acción de los catalizadores se denominan inhibidores de catalizador si son reversibles, y los venenos catalizadores, si son irreversibles. Los promotores son sustancias que aumentan la actividad catalítica, particularmente cuando no están siendo catalizadores para ellos mismos.

    El inhibidor puede modificar la selectividad además de la tasa. Por ejemplo, en la reducción de Ethyne a eteno, el catalizador es paladio (PD) parcialmente «envenenado» con acetato de plomo (II) (PB (CH3COO) 2). Sin la desactivación del catalizador, el eteno producido se reducirá aún más a etano.

    El inhibidor puede producir este efecto por ej. Envenenando selectivamente solo ciertos tipos de sitios activos. Otro mecanismo es la modificación de la geometría de la superficie. Por ejemplo, en las operaciones de hidrogenación, grandes planos de superficie metálica funcionan como sitios de catálisis de hidrogenolisis, mientras que los sitios catalizando la hidrogenación de insaturados son más pequeños. Por lo tanto, un veneno que cubre la superficie aleatoriamente tenderá a reducir el número de planos grandes no contaminados, sino que se liberan proporcionalmente más pequeños de los sitios, cambiando así la hidrogenación frente a la selectividad de la hidrogenolisis. Muchos otros mecanismos también son posibles.

    Los promotores pueden encubrir la superficie para evitar la producción de una estera de coque, o incluso eliminar activamente dicho material (por ejemplo, renio en platino en plataformas). Pueden ayudar a la dispersión del material catalítico o unirse a los reactivos.

    Consulte también

    Portal de química

    Portal de biología

    • AutoCatalisis
    • BIG-NSE (Escuela de Posiciones de Berlín de Ciencias Naturales e Ingeniería)
    • Catalizadores y reacciones catalizadas (un diario de química)
    • activadores ambientales
    • CATALISIS DE ENZIMA
    • CATALIFICACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE LA FASE
    • >
    • ribozime (biocatalisis del ARN)
    • Reducción de sumo
    • espectroscopia de desorción térmica
    • Microscopio de fuerza de la sonda Kelvin
    • Unión internacional de química pura y aplicada. «Catalizador». Compendio de terminología química Edición de Internet.
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    Buscar catálisis en Wiktionary, el diccionario gratuito.

    • Ayuda de la ciencia: Página de catalizadores para la ciencia del nivel de la escuela secundaria
    • waHerrmann Technische Universität Presentation
    • Catalizador de aluminio, Laboratorio Kameyama-Sakurai, Japón
    • Grupo de química y catálisis inorgánicos, Universidad de Utrecht, Países Bajos
    • Centro para química de superficie y Catálisis
    • carbones & Catalysts Group, University of Concepcion, Chile
    • Centro para permitir nuevas tecnologías a través de la catálisis, un Centro NSF para la innovación química , USA
    • «Las burbujas se convierten en catalizadores químicos», Ciencias News Magazine Online, 6 de abril de 2009.
    v • d • e

    sustitución nucleófila
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