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1. INSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS CARRERA INGENIERIA QUIMICA ASIGNATURA FISICOQUIMICA II TEMA CATÁLISIS PROFESOR AGUILAR SOTO JOSE FRANCISCO ALUMNO VALENZUELA LEYVA MARA A. LOS MOCHIS, SIN., A MAYO DEL 2010 1

2. INDICE 1.-INTROCUCCIÓN 3 2.-CONCEPTOS 4 2.1.-Tipos de catalizadores 5 2.2.-Propiedades de catalizadores 5 2.3.-Preparación de catalizadores 8 2.4.-Contaminación de catalizadores 9 3.-SELECCIÓN DE CATALLIZADOR 10 3.1.-Actividad 11 3.2.-Selectividad 11 3.3.-Estabilidad 11 4.-MECANISMO DE LA REACCIÓN CATÁLITICA 12 4.1.-Adsorción 12 4.2.-Reacción superficial 13 4.3.-Desorción 14 5.-TIPOS DE ISOTERMA 15 6.-ECUACIÓN DE VELOCIDAD EN REACCIONES CATALÍTICAS 18 7.-CATÁLISIS ENZIMATICA 20 8.-CONCLUSIÓN 21 9.-BIBLIOGRAFÍA 21 2

3. CATÁLISIS INTRODUCCIÓN Los catalizadores se han empleado por la humanidad durante más de 2000 años. En la edad media los conocimientos relacionados con las transformaciones químicas eran manejados a nivel de magia y poderes sobrenaturales por un grupo llamado alquimistas. Observaron que la presencia de algunos elementos extraños en una mezcla, hacía posible la obtención de algunos productos útiles al hombre. La acumulación de experiencias y observaciones en este campo de las transformaciones casi mágicas, llevo a la asimilación de estos fenómenos en una definición propuesta por Berzelius en 1836. “...algunos cuerpos tienen la propiedad de ejercer sobre otros una acción, diferente a la causada por la afinidad química, por medio de la cual se produce su descomposición, formando nuevos compuestos, que no entraban en la composición de aquellos. A este poder desconocido, común a la naturaleza orgánica e inorgánica, llamo poder catalítico, siendo catálisis la descomposición de cuerpos por esta fuerza”. En 1894 Ostwald amplio la explicación de Berzelius indicando que los catalizadores son sustancias que aceleran la velocidad de las reacciones químicas sin consumirse en ellas mismas. Más de 150 años después de los trabajos de Berzelius, los catalizadores desempeñan un papel económico importantísimo en el mercado mundial. Utilizándose en procesos como convertidores catalíticos en los escapes de automóvil para disminuir la contaminación atmosférica, en la síntesis del amoniaco, en la síntesis de ácido sulfúrico, hidrogenación de aceites y grasas vegetales, procesos de hidrotratamiento para disminuir impurezas del petróleo, por mencionar algunos. 3

4. CONCEPTOS La catálisis es el proceso a través del cual se incrementa la velocidad de una reacción química. El proceso de catálisis implica la presencia de una sustancia que, si bien es cierto, es parte del sistema en reacción, la misma se puede llevar a cabo sin la primera. Esta sustancia se llama catalizador. El catalizador es una sustancia que afecta la velocidad de una reacción, reaccionando, regenerándose y que puede ser recuperado al final de la reacción (el catalizador se fragmenta en pequeñas partículas para acelerar el proceso). Si retarda la reacción se llama inhibidor. La catálisis se clasifica en función de la naturaleza química del medio de la reacción. A partir del número de fases presentes es posible agrupar en: Catálisis Homogénea y Heterogénea o de contacto En la primera tiene lugar cuando los reactivos y el catalizador se encuentran en la misma fase, sea líquida o gaseosa. El catalizador actúa cambiando el mecanismo de reacción, es decir, se combinan con alguno de los reactivos para formar un intermedio inestable que se combina con más reactivo dando lugar a la formación

de los productos, al mismo tiempo que se regenera el catalizador. Es importante resaltar, que en este tipo de catálisis predomina la ausencia de efectos de envenenamiento tan frecuentes. Uno de los inconvenientes de la catálisis homogénea es la dificultad de separar el catalizador del medio reaccionante. Con base en esta inconveniencia se han intentado diseñar "catalizadores homogéneos soportados", en los cuales se desea inmovilizar el complejo metálico activo sobre un soporte como sílice, alúmina o carbón. Sin embargo en muchos casos esto no es posible, ya que la entidad catalítica activa no es el complejo inicialmente introducido a la reacción, sino una especie derivada de él. En la catálisis heterogénea, una superficie sólida actúa como catalizador, mientras que las sustancias que reaccionan químicamente están en fase líquida o gaseosa. Este tipo de catálisis tiene una enorme importancia tecnológica. Aquí los catalizadores son materiales capaces de absorber moléculas de reactivo en sus superficies, consiguiendo mayor concentración y superficie de contacto entre reactivos, o debilitando sus enlaces disminuyendo la energía de activación. Los productos abandonan el catalizador cuando se forman, y este queda libre para seguir actuando. Los catalizadores heterogéneos más usados son metales u óxidos de metales finamente divididos, como por ejemplo el hierro, el platino, el níquel, el trióxido de aluminio. Este tipo de catálisis tiene una enorme importancia en nuestra vida cotidiana, ya que el 90% de los procesos de fabricación de productos químicos en el mundo emplean la catálisis heterogénea en una forma u otra. Así, por ejemplo, se la utiliza ampliamente en la industria química para reducir la contaminación ambiental, o en la fabricación de amoníaco, que es un fertilizante imprescindible en la agricultura y, por lo tanto, en las industrias asociadas a ella como es la industria de alimentos. 4

5. Tipos de Catalizadores Los catalizadores pueden ser: Porosos, Tamices moleculares, Monolíticos, Soportados y No soportados. C. Poroso: Es el catalizador que contiene un área considerable debido a sus poros, ejemplos: el platino sobre alúmina (utilizado para la reformación de naftas de petróleo para tener octanajes altos), el hierro (utilizado en síntesis de amoniaco), el níquel Raney (empleado para la hidrogenación de aceites vegetales y animales). C. Tamices moleculares: En estos materiales los poros son tan pequeños que solo admiten moléculas pequeñas, pero impiden la entrada de las de gran tamaño, y se derivan de sustancias naturales, como ciertas arcillas y zeolitas, o bien son totalmente sintéticos como es el caso de algunos aluminosilicatos cristalinos. Estos tamices constituyen la base de catalizadores altamente selectivos; los poros controlan el tiempo de residencia de diversas moléculas cerca de la superficie catalíticamente activa, hasta un grado que en esencia permite que sólo las moléculas deseadas reaccionen. C. Monolíticos: Estos pueden ser porosos o no porosos, se emplean en procesos donde son importantes la caída de presión y la eliminación de calor. Ejemplo típico son el reactor de grasa de platino, que se emplea en la oxidación del amoniaco durante la manufactura de ácido nítrico, así como en los convertidores catalíticos que se usan para oxidar contaminantes del escape de automóviles. C. Soportados: Es cuando el catalizador consta de diminutas partículas sobre un material activo dispersado sobre una sustancia menos activa llamada soporte, con frecuencia, el material activo es un metal puro o una aleación metálica. Algunos ejemplo son el convertidos catalítico automotriz de lecho empacado, el catalizador de platino soportado en alúmina, que se emplea en reformación de petróleo y el pentóxido de vanadio sobre sílica, que se utiliza para oxidar dióxido de azufre en manufactura de ácido sulfúrico. C. No soportados: Es cuando no consta de esas diminutas

partículas mencionadas en el catalizador soportado solo para diferenciar uno de otro, ejemplo la gasa de platino para oxidación de amoniaco, el hierro promovido para síntesis de amoniaco y el catalizador para deshidrogenación de sílica-alúmina, que se usa en la manufactura de butadieno. Propiedades de los catalizadores Debido a que la reacción catalítica ocurre en la interfase entre el fluido y el sólido, es esencial que el área interfacial sea grande para lograr una velocidad de reacción significativa. En muchos catalizadores el área esta dada por la estructura interna porosa (es decir el sólido contiene muchos poros finos, cuya superficie constituye el área necesaria para una velocidad de reacción alta). EL área que tienen algunos materiales porosos es sorprendentemente grande. Un catalizador típico de sílica-alúmina, que se emplea en la desintegración catalítica, tiene un volumen de poro de 0.6cm3/g y un radio promedio de poro de 4nm. El área superficial correspondiente es de 300m2/g. La mayoría de los catalizadores no mantienen su actividad al mismo nivel por periodos indefinidos, sino que experimentan desactivación, es decir, la actividad catalítica disminuye con el transcurso del tiempo. La desactivación del catalizador en ocasiones se debe a: 5

6. 1. El fenómeno de envejecimiento, el cual puede ser, por ejemplo, un cambio gradual en la estructura de la superficie del cristal. 2. Envenenamiento que consiste en formación irreversible de depósitos sobre la superficie del sitio activo. 3. Contaminación o coquificación, que es la formación de depósitos de carbono o de otro material sobre toda la superficie. La desactivación puede ser muy rápida, como en el proceso de desintegración catalítica de naftas de petróleo, donde la coquificación del catalizador requiere que éste sea retirado en pocos minutos de la zona de reacción. En otros procesos el envenenamiento puede ser muy lento, como en los catalizadores de escape automotriz, los cuales gradualmente acumulan cantidades diminutas de plomo, aunque se utilice gasolina sin plomo, debido a los residuos de plomo en los tanques de almacenamiento de gasolina en las estaciones de servicio. El diseño de catalizadores consiste en optimizar las propiedades químicas, catalíticas, físicas y mecánicas de las partículas. Un catalizador funciona satisfactoriamente si su estructura y composición están optimizadas. Hay que tener en cuenta que sus propiedades físicas, químicas y catalíticas están mutuamente relacionadas, como muestra la figura. Por ejemplo, la actividad aumenta con la porosidad, ya que mejora el acceso de los reactivos, y con la superficie, al aumentar el área disponible para la reacción. Sin embargo, el área superficial disminuye al aumentar la porosidad. Además, la resistencia mecánica del catalizador disminuye a niveles no aceptables en operaciones industriales cuando la porosidad es superior al 50%. Por otro lado, actividades iniciales muy elevadas se sacrifican en ocasiones para conseguir una vida útil más prolongada y/o mayores selectividades. 6

7. PROPIEDADES FÍSICAS Resistencia Es la fuerza necesaria para romper una partícula en la dirección axial o radial mecánica de la partícula (kg cm-2) Tamaño de partícula Es el diámetro y/o longitud de las pastillas del catalizador (mm) Volumen de poros Es el volumen de los poros comprendidos en un gramo de catalizador sólido (cm3 g-1) Volumen de macroporos Volumen de mesoporos Volumen de microporos Tamaño de los poros Macroporos (dp>50 nm) (nm) Mesoporos (dp=3-50 nm) Microporos (dp<3 nm) Superficie específica Es la superficie total (incluida la del interior de los poros) comprendida en un (m2 g-1) gramo de sólido. Superficie microporosa Superficie meso-macroporosa PROPIEDADES QUÍMCAS Composición Porcentaje en peso de los diferentes elementos en el catalizador Concentración de Número de centros activos por gramo de catalizador centros activos Superficie cubierta de centros activos por

gramo de sólido La concentración de centros activos es función de la carga metálica de fase activa y de su dispersión o fracción expuesta a los reactivos Dm= Ns/NT Ns número de átomos o moléculas superficiales NT número total de átomos o moléculas de la fase catalíticamente activa La dispersión puede variar entre 0 y 1, y es inversamente proporcional al tamaño del cristalito Acidez Centros Brønsted: capacidad para dar protones Centros Lewis: capacidad para capturar electrones La acidez juega un papel importante en numerosos procesos catalíticos (craqueo, isomerización, polimerización) PROPIEDADES CATALÍTICAS: Son la actividad, selectividad y estabilidad del catalizador. Son propiedades dinámicas ya que suelen modificarse con el tiempo de uso del catalizador Actividad Conversión Velocidad de reacción Moles convertidos/unidad de tiempo referida a diferentes bases (volumen de reactor, masa de catalizador, área superficial del catalizador,...) Frecuencia o número de rotación Es el número de moléculas convertidas o producidas por centro activo catalítico y por segundo Selectividad Propiedad que permite modificar solamente la velocidad de una reacción determinada, no afectando a las demás Se evalúa como la cantidad o velocidad de producción de uno de los productos con relación al total de productos Estabilidad Pérdida de actividad en unas determinadas condiciones de reacción debido a la disminución del número de centros activos disponibles (fenómenos de desactivación) 7

8. Preparación de los catalizadores Los métodos y técnicas experimentales para la preparación de catalizadores son particularmente importantes, pues la composición química no es en sí misma suficiente para determinar la actividad. Las propiedades físicas, tales como área de superficie, tamaño de poros, tamaño de partícula y estructura de la misma, también tienen influencia sobre la actividad. Estas propiedades quedan determinadas en buena parte por los procedimientos de preparación. Para empezar, se hará una distinción entre las preparaciones en las cuales todo el material constituye el catalizador, y aquellas en las que el ingrediente activo está dispersado en un material de soporte o portador que tiene una gran área superficial. El primer tipo de catalizador se prepara por lo general por precipitación, formación de un gel o una mezcla simple de los componentes. Uno de los métodos para obtener un material sólido en forma porosa es la precipitación. En general, consiste en adicionar un agente precipitante a soluciones acuosas de los componentes deseados. Con frecuencia, los pasos subsecuentes en el proceso son: lavado, secado y, algunas veces, calcinación y activación. Algunas variables tales como concentración de las soluciones, temperatura, tiempo de secado y calcinación, pueden tener influencia en el área de superficie y en la estructura de los poros del producto final. Esto explica la dificultad para reproducir catalizadores e indica la necesidad de seguir cuidadosamente las recetas que ya hayan sido probadas. De particular importancia es el paso del lavado que elimina todas las trazas de impurezas que pueden actuar como venenos. Un caso especial de los métodos de precipitación es la formación de un precipitado coloidal que se gelifique. Los pasos en el procedimiento son esencialmente los mismos que aquellos utilizados en el procedimiento de precipitación. Los catalizadores que contienen sílice y alúmina son especialmente apropiados para la preparación de geles, ya que sus precipitados tienen naturaleza coloidal. Las técnicas detalladas para producir catalizadores con formación de geles o por precipitación ordinaria, han sido reportadas por Ciapetta y Plank. Algunas veces se puede obtener un material poroso mezclando los componentes con agua, moliéndolos al tamaño deseado del grano y luego secándolos y calcinándolos. Finalmente, los materiales así obtenidos deberán molerse y cribarse para obtener el tamaño apropiado de la

partícula. Un catalizador mixto de óxido de magnesio y de calcio puede prepararse en la forma descrita. Los carbonatos se muelen en húmedo en un molino de bolas, se extruyen, secan y calcinan en un horno para reducir los carbonatos. Los portadores catalíticos proporcionan un medio para obtener una gran área superficial con una pequeña cantidad de material activo. Esto reviste importancia cuando se trata de sustancias costosas como platino, níquel y plata. Berkman y Cols han tratado el tema de los portadores con bastante detalle. Los pasos en la preparación de un catalizador impregnado en un portador pueden incluir lo siguiente: 1. Eliminar el aire del portador por medio de vacío. 2. Poner en contacto el portador con la solución impregnante. 3. Eliminar el exceso de solución. 4. Secado. 5. Calcinación y activación. La naturaleza del portador puede afectar a la actividad y a la selectividad del catalizador. Este efecto probablemente se debe a que el portador puede tener influencia sobre la estructura de los Átomos del agente catalítico dispersado. Por ejemplo, un cambio de sílice a alúmina como portador, puede hacer variar la estructura electrónica de los átomos de platino depositados. Este problema está relacionado con la cantidad óptima de catalizador que debe depositarse en un portador. Cuando sólo se añade una pequeña fracción de una capa mono-molecular, cualquier incremento en la cantidad de catalizador debe aumentar la velocidad. Sin embargo, puede no ser útil agregar cantidades considerables al portador. 8

9. Contaminación de catalizadores En algunos sistemas, la actividad catalítica disminuye tan lentamente, que sólo se requiere regenerar o sustituir el catalizador después de un periodo de meses o anos. La disminución de la actividad se debe a los venenos, que definiremos como sustancias que disminuyen la actividad del catalizador y que se encuentran en los reactantes o se producen en la reacción. La regeneración frecuente de los catalizadores para el cracking es necesaria debido a la acumulación de uno de los productos, carbón, en la superficie. La disminución lenta de la actividad casi siempre se debe a la quimisorción de reactantes, productos o impurezas de la corriente líquida. La desactivación rápida es causada por la deposición física de una sustancia que bloquea los centros activos del catalizador. Usaremos el término envenenamiento para describir ambos procesos, aunque a la desactivación rápida también se le llama impurificación. La desactivación también puede originarse en una prolongada exposición a temperaturas elevadas en la atmósfera reaccionante. Los venenos pueden diferenciarse en términos de la forma en que operan. 1. Venenos depositados. Bajo esta categoría se clasifica al carbón depositado en los catalizadores empleados en la industria petrolera. El carbón cubre los sitios activos del catalizador y puede tapar parcialmente las entradas de los poros. Este tipo de envenenamiento es, en parte, reversible, y la regeneración puede efectuarse quemando el carbón a CO y CO2 con aire y/o vapor. El proceso de regeneración es una reacción heterogénea gas-sólido de tipo no catalítico. En el diseño del reactor, se debe prestar atención a la regeneración además de las etapas reaccionantes del ciclo. 2. Venenos quimisorbidos. Los compuestos de azufre y otros materiales son frecuentemente quimisorbidos en catalizadores de níquel, cobre y platino. La declinación en la actividad de este tipo de venenos se detiene cuando se alcanza el equilibrio entre el veneno en los reactantes y el presente en la superficie del catalizador. Si la fuerza de adsorción del compuesto es baja, la actividad se restaurará cuando el veneno se elimine de los reactantes. Si el material adsorbido está adherido firmemente, el envenenamiento es más permanente. El mecanismo parece consistir en un recubrimiento de los centros activos, que de otra manera podrían adsorber moléculas reaccionantes. 3. Venenos de selectividad. Todavía no se

comprende con claridad el mecanismo de selectividad de una superficie sólida para catalizar una reacción con respecto a otra. Sin embargo, se sabe que algunos materiales presentes en las corrientes de reactantes se adsorberan en la superficie, catalizando después otras reacciones no deseables, con lo cual se disminuye la selectividad. Las pequeñas cantidades de níquel, vanadio, hierro, etc., presentes en el petróleo, pueden actuar como venenos por medio de este mecanismo. Cuando estas fracciones de petróleo se someten a un cracking, los metales se depositan en el catalizador actuando como catalizadores de deshidrogenación. Esto resulta en un aumento de los rendimientos de hidrógeno y coque y en una disminución de los de gasolina. 4. Venenos de estabilidad. Cuando la mezcla de dióxido de azufre y aire que se suministra a un catalizador de platino-alúmina, contiene vapor de agua, se presenta una disminución de la actividad de oxidación. Este tipo de envenenamiento se debe al efecto del agua sobre la estructura del portador de alúmina. La temperatura tiene un efecto pronunciado sobre el envenenamiento de estabilidad. A medida que aumenta la temperatura, se pueden presentar sinterizaciones y fusiones localizadas, y esto, por supuesto, cambia la estructura del catalizador. 5. Venenos de difusión. Este tipo de envenenamiento se mencionó ya con relación a la deposición de carbón en los catalizadores de cracking. El bloqueo de las entradas de los poros impide que los reactantes se difundan a la superficie interna. Los sólidos arrastrados por los reactantes o los fluidos que puedan reaccionar con el catalizador formando un sólido, son la causa más común de este tipo de envenenamiento. 9

10. SELECCIÓN DEL CATALIZADOR Aunque algunos catalizadores se usan en estado puro masivo (el agente activo solo), la gran mayoría de ellos están formados por varios componentes, entre los cuales los más importantes son: El agente activo: es propiamente la sustancia catalítica y la que produce la aceleración en la reacción química. Los agentes catalíticos pueden ser conductores metálicos, aislantes y semiconductores. Los agentes activos depositados sobre la superficie de un soporte son por lo general metales y semiconductores, mientras que los catalizadores no conductores son comúnmente no soportados. Los catalizadores metálicos son principalmente metales que pueden formar óxidos, los cuales son factibles de reducir. Estos catalizadores funcionan con gran efectividad en reacciones de hidrogenación y oxidación. Los aislantes (óxidos metálicos no conductores), que actúan con un mecanismo muy diferente al de conductores o semiconductores, debido a su falta de conductividad, se caracterizan por si acidez y son efectivos para catalizar reacciones de craqueo, polimerización, alquilación, isomerización y deshidratación-hidratación. En general, los aislantes son irreductibles. Los semiconductores presentan variación proporcional en su conductividad eléctrica de acuerdo con la temperatura:; catalizan efectivamente reacciones similares a las catalizadas pro metales nobles o de transición. El soporte: Es una sustancia, generalmente muy poco activa en la reacción, de gran superficie específica y porosidad, cuyo objeto principal es extender el área del agente activo. Además de aumentar la superficie activa del catalizador, el soporte puede tener otras virtudes valiosas entre las cuales cabe destacar las siguientes: mejora la estabilidad del catalizador evitando la unión o sinterización de los sitios activos por efecto de la alta temperatura; facilita la transferencia de calor en reacciones fuertemente exotérmicas (oxidaciones), evitando así la acumulación de calor y la elevación de la temperatura en el interior de pastillas porosas que ponen en peligro la estabilidad del catalizador; mejora las características mecánicas. Los soportes sólidos usados en catálisis poseen en el interior de las partículas unitarias, cavidades que reciben el nombre de poros.

Estos poros se clasifican de acuerdo a su tamaño en 3 grandes grupos. El promotor: Es una sustancia química que se agrega al catalizador con el objeto de mejorar sus propiedades catalíticas. Dichas sustancias son poco activas, o no lo son, pero adicionadas a un agente activo aumentan significativamente su actividad, selectividad o resistencia a la desactivación. No siempre es posible explicar exactamente la acción del promotor; si bien en algunos casos se ha observado intervención de tipo físico, que consiste en estabilizar las características estructurales del sólido, en otros casos ha sido de tipo químico o electrónico, que favorece la transferencia de electrones entre reactantes y catalizador. Los promotores se clasifican como promotores físicos o químicos los aditivos que se utilizan para mantener la integridad física del soporte y/o el agente catalítico depositado se llaman promotores físicos. Cuando el aditivo aumenta la actividad intrínseca del agente catalítico se denomina promotor químico. Existen también promotores químicos negativos; es decir inhibidores de reacciones químicas laterales no deseadas. Los promotores se pueden agregar durante la preparación del catalizador o durante la reacción. Selección de un catalizador. Hay varias maneras de ordenar o clasificar las sustancias catalíticas sólidas, pero ninguna es totalmente satisfactoria. Por ejemplo, los catalizadores óxidos se pueden dividir en 2 grupos según su estructura. Si la estructura es iónica y los átomos de oxígeno se pueden transferir realmente hacia o desde el enrejado, la sustancia puede ser un buen catalizador para reacciones de oxidación parcial, y un mecanismo de oxidación-reducción “redox” entra a tomar parte. El segundo grupo lo conforman los catalizadores de deshidrogenación en los cuales el oxígeno es mas fuertemente enlazado y el óxido no debe ser 10

11. reducible hasta metal por hidrógeno a la temperatura de reacción. Por lo tanto los óxidos apropiados para reacciones de oxidación parcial no son adecuados para reacciones de deshidrogenación. La dificultad en la elección o desarrollo de un catalizador puede variar grandemente y aumenta según el esquema sugerido por Roginskii (1968) en el siguiente orden: I. Selección entre catalizadores conocidos (a) para reacciones conocidas, b) Para reacciones análogas a reacciones catalíticas conocidas, c) Para nuevas reacciones. ). II. Búsqueda de nuevos catalizadores (a) Para reacciones catalíticas bien conocidas, b)Para reacciones análogas a reacciones catalíticas bien conocidas, c)Para nuevas reacciones.). Características deseables del catalizador. Un buen catalizador debe reunir varias propiedades para ser de interés en un proceso químico Las más importantes son: actividad, selectividad y estabilidad. Actividad catalítica: Se refiere a la velocidad con la cual se induce a la reacción a seguir hacia el equilibrio químico y puede definirse como la propiedad de aumentar la velocidad de la reacción con respecto a la manifestada sin catalizador, en las mismas condiciones de temperatura, presión, concentración, etc. La actividad puede incrementarse usualmente elevando la temperatura, aunque solo de esta manera se puede acortar la vida del catalizador o incrementar reacciones indeseables. Selectividad de un catalizador: Es una medida de la extensión a la cual el catalizador acelera una reacción especifica para formar uno o mas productos deseados. Varía usualmente con la presión, temperatura, composición de los reactantes, extensión de la conversión y naturaleza del catalizador, y por lo cual se debe hablar de la selectividad de una reacción catalizada bajo condiciones especificas. Estabilidad: Es la capacidad de un catalizador de mantener sus propiedades, en especial la actividad y la selectividad durante un tiempo de uso suficiente para aplicarlo industrialmente. En general el catalizador pierde eficacia con el tiempo debido a cambios físicos o químicos ocurridos durante

la reacción. La estabilidad puede expresarse también como el tiempo de vida útil del catalizador. Un buen catalizador debe mantenerse inalterable por un largo tiempo de funcionamiento (meses o años según el tiempo de reacción). 11

12. MECANISMO DE LA REACCIÓN Los procesos catalíticos más importantes industrialmente son aquellos donde reactantes en fase gaseosa se ponen en contacto con un catalizador sólido al objeto de transformarlos, de forma rápida y eficaz, en otros productos. En este tipo de sistemas (conocidos genéricamente como de catálisis heterogénea) el proceso por e cual se efectúa la reacción catalítica se puede descomponer en una secuencia de pasos individuales, mostrados en la siguiente tabla: PASOS DE UNA REACCIÓN CATALÍTICA 1.- Transferencia de masa (difusión) del o los reactivos (por ejemplo especie A) del seno del fluido ala superficie externa de la partícula de catalizador. 2.- Difusión del reactivo de la boca del poro, a través de los poros del catalizador, hacia la vecindad inmediata de la superficie catalítica interna. 3.- Adsorción del reactivo A sobre la superficie del catalizador. 4.- Reacción sobre la superficie de catalizador (por ejemplo, A→B). 5.- Desorción de los productos (por ejemplo, B) de la superficie. 6.- Difusión de los productos del interior de la partícula a la boca del poro en la superficie externa. 7.- Transferencia de masa de los productos de la superficie externa de la partícula al seno del fluido. Tomaremos en cuenta los pasos de adsorción, reacción superficial y desorción supondremos que los pasos 1,2, 6 y 7 son muy rápidos, de modo que la velocidad de reacción no se ve afectada por ellos. Postularemos mecanismos catalíticos y después derivaremos leyes de velocidad para los diversos mecanismos. El mecanismo de manera típica tendrá un paso de adsorción, un paso de reacción superficial y un paso de desorción, en tanto que uno de ellos será el limitante de la velocidad. Adsorción Debido a que la quimisorción suele ser una parte necesaria del proceso de catálisis. La letra S representa un sitio activo; S sola denota que el sitio está vacío o una vacancia, es decir no esta ocupado por un átomo, una molécula o un complejo adsorbido sobre de él. La combinación de S con la letra (por ejemplo, A • S) indica que hay una unidad de especie A adsorbida sobre el sitio S. La especie A puede ser un átomo, una molécula o alguna otra cosa combinación de átomos, dependiendo del caso. En consecuencia, la adsorción de A sobre el sitio S se representa como sigue: • La concentración molar total de sitios activos por unidad de masa de catalizador es igual al número de sitios activos por unidad de masa dividido entre el número de Avogadro, que se denotara como Ct. La concentración molar de sitios vacíos, Cv, es el número de sitios vacíos por unidad de masa de catalizador dividida entre el número de Avogadro. En ausencia de desactivación de catalizador, se asume que la concentración total de sitios activos permanece constante, por lo tanto la concentración total de sitios es • • Los datos de adsorción suelen reportarse en forma de isotermas de adsorción, las cuales ilustran la cantidad de gas adsorbido sobre un sólido a distintas presiones, pero ala misma temperatura. Existen dos modelos adsorción molecular o sin disociación y adsorción disociativa. El hecho de que la molécula se adsorba nodisociativamente o disociativamente depende de la superficie. 12

13. Para obtener una ley de velocidad para la velocidad de adsorción la relación de la ecuación puede considerarse como reacción elemental. Una fracción específica de moléculas que chocan contra la superficie se adsorbe, las moléculas se adsorben sólo sobre sitios vacíos y no sobre sitios ocupados por otras moléculas, la tasa de unión también es directamente proporcional a la concentración de sitios vacíos, Cv. Al combinar estos dos hechos, se observa que la tasa de unión de moléculas sobre la superficie es directamente proporcional al producto

de la presión parcial del gas y la concentración de sitios vacíos, esto es, ó La tasa de desprendimiento de moléculas de la superficie puede ser un proceso de primer orden, es decir, el desprendimiento de moléculas del gas de la superficie suele ser directamente proporcional a la concentración de sitios ocupados por las moléculas adsorbidas (es decir, CCO•S): • La tasa neta de adsorción es iguala la tasa de unión molecular con la superficie menos la tasa de desprendimiento de la superficie. Si kA y k-A son las constantes de proporcionalidad para los procesos de unión y desprendimiento, entonces • El cociente KA=kA/k-A es la constante de equilibrio de adsorción. Si la empleamos para arreglar • la ecuación anterior, se tiene: Adsorción • • ´ • ; • ; ; ; ; • Reacción superficial La tasa de adsorción de la especie A sobre una superficie sólida, • esta dada por: • Después de que el reactivo se adsorbe sobre la superficie puede reaccionar de diversas maneras para formar el producto de reacción. Las tres formas son: 1. Sitio único: La reacción de superficie puede ser un mecanismo de sitio único, en lo que solo el sitio en el cual el reactivo se adsorbe participa en la reacción. • Como en cada paso el mecanismo de reacción elemental, la ley de velocidad de reacción superficial es • • Donde kS es la constante de equilibrio de reacción en la superficie KS=kS/k-S. 13

14. 2. Sitio dual: La reacción superficial puede ser un mecanismo de sitio dual, en el cual el reactivo adsorbió interacciona con otro sitio (ya sea ocupado o sin ocupar) para formar el producto. Por ejemplo, A adsorbido puede reaccionar con un sitio vacío adyacente para dar un sitio vacío y otro sitio sobre el cual el producto que adsorbido, para la reacción genérica • • la ley de velocidad de reacción superficial correspondiente es • • Otro ejemplo de mecanismo de sitio dual es la reacción entre dos especies adsorbidas, para la reacción genérica • • • • la ley de de velocidad de reacción superficial correspondiente es • • • • Un tercer mecanismo de sitio dual es la reacción de dos especies adsorbidas sobre diferentes tipos de sitios S y S´, para la reacción genérica • • ´ • ´ • la ley de velocidad de reacción superficial correspondiente es • ´ • • • ´ En ocasiones se dice que las reacciones que incluyen mecanismo de sitio único o sitio dual, tienen cineticas de Langmuir-Hinshelwood. 3. Eley-Rideal: El tercer mecanismo es la reacción entre la molécula adsorbida y una molécula en fase gaseosa, para la reacción genérica • • la velocidad de reacción superficial correspondiente es • • Este tipo de mecanismo se conoce como mecanismo Eley-Rideal. Desorción En cada uno de los casos anteriores, los productos de la reacción superficial adsorbidos sobre la superficie experimentan desorción subsecuente hacia fase gaseosa. Para la desorción de la especie (por ejemplo, C), • la tasa de desorción de C es • Donde KDC es la constante de equilibrio de desorción. Observamos que el paso de desorción de C es simplemente el inverso del paso de adsorción de C y que la tasa de desorción de C, rD, es de signo opuesto a la tasa de adsorción de C, rADC: Además, vemos que la constante de equilibrio de desorción KDC es simplemente el reciproco de la constante de equilibrio de adsorción para C, KC: 1 • 14

15. TIPOS DE ISOTERMAS Hemos visto que el fenómeno catalítico heterogéneo requiere de la adsorción química en la superficie del catalizador de al menos de uno de los reactantes. Dado que la reacción se lleva a cabo en la superficie del catalizador, el conocimiento de la cantidad de moléculas adsorbidas en esta superficie reviste gran importancia. La concentración del reactante adsorbido se relaciona por lo tanto con la concentración del reactante en la fase fluida. La concentración en la superficie depende de la presión de la fase gaseosa, de la temperatura, de la extensión de la superficie y de la naturaleza del sistema reaccionante. Para

determinar la concentración lo más frecuente es mantener la temperatura constante y medir la cantidad adsorbida a distintas presiones; se obtiene asi una “isoterma de adsorción”. A fin de expresar analíticamente la variación del volumen de gas adsorbido en función de la presión se han sugerido ecuaciones empíricas y algunos modelos que tratan de explicar el mecanismo de adsorción, entre estos están la isoterma de Henry, la isoterma de Langmuir y la isoterma BET. La isoterma de Langmuir fue el primer modelo importante que trato de interpretar el proceso de adsorción. La isoterma de BET, cuyo nombre deriva de las iníciales de los apellidos de sus autores: Brunauer, Emmet y Teller, responde a un modelo semejante al de Langmuir extendido a una adsorción en multicapas y ha tenido su mayor éxito en la determinación de volúmenes de la monocapa superficial. Las áreas totales específicas deducidas de la isoterma coinciden extraordinariamente bien con las reales, por esto es la herramienta más importante y casi de uso universal para obtener superficies específicas. Para encontrar la relación entre la concentración superficial y aquella en el fluido circunvecino, de un reactante, supongamos un sólido, en un recipiente, al cual se le suministra una cierta cantidad de gas (por ejemplo hidrógeno). Parte del gas se adsorberá en la superficie del sólido y parte quedará en la fase gas. Cuando la adsorción se ha completado y se alcanza el equilibrio, la relación entre la concentración de gas adsorbido y la presión del gas con la que está en equilibrio a temperatura constante se denomina isoterma de adsorción. Siempre que un sólido sea no poroso y la temperatura se encuentre por arriba del punto de ebullición del gas, la isoterma de adsorción tiene la forma que se muestra en la figura. Imaginando el fenómeno, dos magnitudes pueden ser fácilmente reconocidas: x, la cantidad adsorbida a una cierta presión dela fase fluida, y xmax que sería la cantidad máxima que la superficie puede adsorber, recordando que para la quimisorción ésta sería máximo el cubrimiento de monocapa, definimos entonces la fracción de superficie cubierta como θ: θ=x/xmax Para encontrar la relación matemática entre el grado de cubrimiento θ y la presión de equilibrio del gas imaginemos una superficie que consiste en n “sitios”, donde cada “sitio” puede adsorberse una y solo una molécula del gas. 15

16. El equilibrio que habíamos considerado anteriormente es de tipo dinámico entre adsorción- desorción. El equilibrio puede representarse como: adsorción (ka) donde A =reactante S = Sitio de superficie desorción (kd) A – S = Reactante adsorbido La velocidad de adsorción viene dada por la expresión: y a la velocidad de desorción por donde [A] es la concentración del reactante A y que podemos sustituir por la presión PA al equilibrio, [S] representa la concentración de sitios vacíos y que podemos reemplazar por (1 – θ), A-S es la concentración de sitios ocupados, la cual sustituimos por n θ. Cuando el equilibrio se alcanza, las velocidades de adsorción y desorción son iguales, por lo que obtenemos: donde b=ka/kd se denomina coeficiente de adsorción de A en el sólido utilizado. Este término no es otra cosa que la constante de equilibrio de adsorción, cuya magnitud refleja la fuerza con que se adsorbe A; es decir, si b es muy grande, la molécula A se adsorbe fuertemente en la superficie. La relación entre el grado de cubrimiento y la presión fue derivada por Irving Langmuir y se le conoce comúnmente como la isoterma de Langmuir. El valor de b afecta a la forma de la isoterma de adsorción. Mientras más grande sea el valor de la constante, mayor será el grado de recubrimiento a una presión de equilibrio dada. No todas las adsorciones obedecen la isoterma de Langmuir. Esto se debe a muchas razones pero la más importante es que se considera para su derivación el que todos los sitios en la superficie son enérgicamente equivalentes, lo cual rara vez se encuentra en la práctica. Más aún, el calor de adsorción, el

cual está cercanamente ligado a la fuerza del enlace entre la especie adsorbida y la superficie, disminuye al aumentar el grado de cubrimiento. De esta manera, otras isotermas han sido derivadas para eliminar la suposición de la equivalencia energética de los sitios; la isoterma de Temkin por ejemplo, Introduce las constantes k1 y k2 cuyos valores dependen del calor de adsorción inicial y supone una disminución lineal del calor de adsorción con el grado de cubrimiento. 16

17. / La isoterma de Freundlich tiene la forma: Suponiendo en este caso una disminución logarítmica del calor de adsorción con el grado de cubrimiento. El conocimiento de la capacidad de adsorción de una sola capa de moléculas (monocapa) en un sólido no poroso puede ser fácilmente traducida en una medida del área superficial. La actividad (eficiencia) de un catalizador se expresa como la velocidad por unidad de área superficial (usualmente por m2) y de esta manera pueden compararse diferentes catalizadores. La isoterma de adsorción nos provee del número máximo de moléculas adsorbidas que pueden que pueden formar el cubrimiento correspondiente a una monocapa; es decir, θ=1.0. Luego, entonces lo único que necesitamos es conocer el área que ocupa una molécula adsorbida para calcular el área total superficial: Área totalsup= (número de moléculas)X(área por molécula). Sin embargo, cuando se tiene un sólido poroso, la adsorción en multicapas tiene lugar y diferentes tipos de isotermas pueden observarse. La información que puede obtenerse a través de estas isotermas de adsorción física es: la superficie total interna (poros), volumen de poro, distribución de tamaño de poros, etc. El tipo I es la forma de la isoterma de Langmuir y se observa para sólidos microporosos incluyendo zeolitas. El tipo II es el más común y aplicado a la ecuación BET que tiene la forma 1 1 Se puede obtener la capacidad de formación de una monocapa xmax. P0 es la presión de vapor de saturación del gas que se adsorbe y C es una constante que involucra el calor de adsorción de la primera capa, con el calor liberado al formarse la segunda y subsecuentes capas. La formación de la monocapa se localiza en el punto B de la isoterma tipo II. Los tipos III y V son de poco interés pero el tipo IV es de importancia ya que presenta el fenómeno de histéresis; es decir, la isoterma no sigue el mismo camino durante la desorción. La razón para esto es que la evaporación del gas condensado en los poros finos no ocurre tan fácilmente como la condensación, ya que la molécula que se evapora de una superficie curva (menisco) tiene mayor probabilidad de recondensar que una molécula que se evapora de una superficie plana. Este fenómeno permite de hecho determinar las distribuciones de tamaño de poro en sólidos porosos. En la quimisorción, θ, no es necesariamente iguala la relación entre el volumen adsorbido y el que se da en la adsorción completa de la monocapa, así θ es mejor definida para la quimisorción como el volumen adsorbido relativo al volumen adsorbido cuando se ha saturado la monocapa, ya que el valor de la saturación sea equivalente ala superficie total o parcial. 17

18. La importancia del modelo de Langmuir en la cinética y equilibrio de la adsorción-desorción, es el gran poder que tienen las relaciones derivadas: cinética, equilibrio químico y físico. Como se ha discutido con anterioridad, los coeficientes de la velocidad de adsorción y desorción kads y kdes, obedecen a la función de Arrhenius. En resumen la energía de activación y el calor de adsorción (q) se suponen constantes e independientes de θ. Estas aseveraciones implican la idealidad de la superficie; en la realidad pocos sistemas catalíticos Gas-sólido siguen los postulados de Langmuir, los valores medidos de q como función de θ indican una declinación del calor de adsorción con el aumento de la fracción ocupada, por lo

que se puede concluir que la superficie catalítica es enérgicamente no ideal (heterogénea) y que las fuerzas de interacción se manifiestan como función de θ. De hecho, Langmuir anticipa la no idealidad y sugiere que: 1 Esto es, que la superficie real puede ser considerada como la sumatoria de discretas superficies ideales. ECUACIÓN DE VELOCIDAD DE REACCIONES CATALÍTICAS La ecuación de velocidad (es decir, la ley de velocidad) es una ecuación algebraica que es sólo una función de las propiedades de los materiales que reaccionan y las condiciones de reacción (es decir, concentración de las especies, la temperatura, la presión o tipo de catalizador) en un punto del sistema. La ecuación de velocidad es independiente del tipo de reactor en el cual se efectúa la reacción. Cuando se efectúan reacciones heterogéneas en estado estable, las tasas de cada uno de los tres pasos de reacción en serie (adsorción, reacción superficial y desorción) son iguales una a otra. ´ Sin embargo, se observa que en particular uno de los pasos en la serie suele limitar o controlar la velocidad. El proceso para determinar los procesos catalíticos y heterogéneos suele llamarse Langmuir- Hinshelwood, ya que se deriva de conceptos propuestos por Hinshelwood, basados en los principios de Langmuir para adsorción. Consta de una primera suposición de una secuencia de pasos en la reacción. Al escribir la secuencia se elige entre mecanismos como adsorción molecular o atómica y reacción en sitio único o dual. Por último, se postula un paso limitante de la velocidad, en tanto que los pasos que no limitan la velocidad se emplean para eliminar todos los términos dependientes de la cobertura. La suposición más cuestionable al aplicar dicha técnica para obtener la ley de velocidad es la hipótesis de que la actividad de la superficie hacia las reacciones de adsorción, desorción o superficiales es independiente de la cobertura, es decir, la superficie es esencialmente uniforme por lo que respecta a los diversos pasos de la reacción. 18

19. Un ejemplo de reacción limitada por la adsorción es la síntesis de amoniaco, a partir de hidrógeno y nitrógeno 3 2 sobre catalizador de hierro, la cual procede por el siguiente mecanismo. 2 2 • Rápido • Limitante de la velocidad • 2 • • • • Rápido • • • • • • • Se cree que el paso que limita la velocidad es la adsorción de la molécula de N2 a manera de átomos de N. Un ejemplo de reacción limitada por la superficie es la reacción de dos productos nocivos del escape automotriz, CO y NO, 1 2 que se efectúa sobre catalizador de cobre para formar productos aceptables para el medio ambiente, como N2 Y CO2: • Rápido • • • • Limitante de la velocidad • • • Rápido • El análisis de la ley de velocidad sugiere que CO2 Y N2 se adsorben débilmente. 19

20. CATÁLISIS ENZIMÁTICA Hoye en día no se dispone de una teoría sencilla que explique la actividad y especificidad de la catálisis enzimática. No obstante existen numerosas ideas soportadas por los hechos experimentales que indican la existencia del complejo enzima-substrato formado por unión del substrato al centro activo de la enzima. Mientras está enlazado a la enzima, el substrato se transforma en producto, momento en el cual se libera la enzima. Existen 4 características diferenciadoras de las reacciones enzimáticas con respecto a las reacciones catalizadas: a) La enzima es altamente especifica y cataliza solamente una o pocas reacciones químicas. Los catalizadores sólidos no suelen ser específicos y pueden intervenir en reacciones diferentes que tengan el mismo grupo funcional. Dada la gran variedad de enzimas descubiertas actualmente (unas 3300), se pueden llevar acabo un gran número de reacciones químicas empleando enzimas específicas como catalizadores. b) La velocidad de una reacción catalizada por una enzima es mucho mayor que la velocidad de la

reacción catalizada por productos no biológicos. Sólo es necesaria la presencia de una pequeña cantidad de enzima para acelerar suficientemente la reacción. c) Las condiciones de reacción (temperatura presión, pH, etc.)de las reacciones enzimáticas son suaves. A bajas temperaturas la actividad de las enzimas es más elevada que la de los catalizadores sólidos. A temperaturas altas los catalizadores ordinarios suelen ir aumentando su actividad, mientras que las de las enzimas disminuyen pudiendo perderla totalmente a partir de cierta temperatura. d) Las enzimas son moléculas sensibles e inestables que requieren cuidado en su uso. Las enzimas pierden fácilmente su actividad catalítica al cambiar su conformación estructural (desnaturalización) en el transcurso de algunas reacciones. La importancia del estudio de la cinética enzimática no solamente radica en el hecho de que las enzimas actúan en el proceso metabólico de los microorganismos sino que gracias a su posible inmovilización, pueden emplearse cada vez más en reacciones específicas de aplicación industrial. El tratamiento matemático de la cinética enzimática es muy complejo, incluso si se conocen los pasos básicos implicados en la reacción. A través de los siguientes pasos elementales se muestra un esquema simplificado: 1 1 2 donde E, S y P representan la enzima, el sustrato y el producto, y ES es el intermediario enzima- sustrato. Con cierta frecuencia se supone que la formación se supone que la formación de ES y su descomposición en las moléculas de enzima y sustrato es un proceso rápido, y que el paso determinante de la velocidad es la formación del producto. En general la velocidad para dichas reacciones está dada por la ecuación ∆ ∆ 20

21. La concentración del intermediario ES es proporcional a la cantidad presente del sustrato. Al inicio la velocidad aumenta rápidamente al incrementarse la concentración del sustrato. Sin embargo, sobre ciertos niveles de concentración, todos los sitios activos están ocupados y la reacción se vuelve de orden cero respecto del sustrato. En otras palabras, la velocidad permanece constante, aun cuando se aumente la concentración del sustrato. Por todo esto, la velocidad de formación del producto depende solo de qué tan rápido se rompe el intermediario ES y no del número de moléculas de sustrato presentes. CONCLUSIÓN Esta claro, la catálisis es un mundo muy complejo, es un fenómeno muy importante en nuestra vida diaria, su uso permite producir muchos de los materiales que nos rodean: plásticos, fibras, alimentos. También la calidad del aire que respiramos puede modificarse mediante catálisis, además se esta utilizando para mejoramiento del medio ambiente, económicamente es muy importante, pues es una rama muy importante de la industria química, en donde importaciones y exportaciones producen grandes beneficios económicos. Existen muchos factores que influencian en la reacción, y el objetivo final es encontrar el equilibrio entre ellos para satisfacer las condiciones idóneas, se trata de un campo prometedor. BIBLIOGRAFÍA ALVAREZ E. Ruth; Catálisis Ambiental Disponible en línea: http://ruthmalvareze.espacioblog.com/ CABALLERO Suarez Luis M; Introducción a la catálisis heterogénea; Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Ingeniería Química; Cap.1 , págs. 3-7 Disponible en línea:

http://books.google.com.mx/books?id=3a3xkR9JdbgC&printsec=frontcover#v=one page&q&f=false CHANG Raymond; Química; Editorial: Mc Graw Hill; 9na edición; Capítulo 13, pág. 688. CUEVAS García R.; Catálisis, pág. 1, 8-10. Disponible en línea: http://depa.pquim.unam.mx/amyd/archivero/historiacatalisis_6478.pdf FOGLER Scott; Elementos de ingeniería de las reacciones químicas; Editorial: Pearson; 4ta Edición; Capítulo 10, págs. 645, 646, 648-650, 656-657, 661-669 IZQUIERDO José Felipe; Editorial: Universidadde

Barcelona; Capitulo 6, pág.269-270. LOPEZ Fonseca Rubén, Catalizadores Sólidos Disponible en línea: http://ocw.ehu.es/ciencias-experimentales/fundamentos-de-cinetica-quimica- aplicada/transparencias-de-los-temas/transparencias_tema_06 SMITH, J. M.; Ingeniería de la cinética química; Editorial: CECSA; Sexta impresión; Capítulo 8; págs. 110-112,413-415. Disponible en línea: http://www.heurema.com/QG/QG3/CAT%C1LISIS0.pdf Disponible en línea: http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/juansqui/quifi1.htm Disponible en línea: http://www.buenastareas.com/ensayos/Tipos-De-Catalizadores/31066.html

Catálisis«Catalizador» redirige aquí. Para otras acepciones, véase Catalizador (desambiguación).

Esquema de la hidrogenación de un doble enlace C=C, catalizada por un metal.

La catálisis es el proceso por el cual se aumenta la velocidad de una reacción química, debido a la participación de una sustancia llamada catalizador y las que desactivan la catálisis son denominados inhibidores. Un concepto importante es que el catalizador no se modifica durante la reacción química, lo que lo diferencia de un reactivo.

En la síntesis de muchos de los productos químicos industriales más importantes hay una catálisis. El envenenamiento de los catalizadores, que generalmente es un proceso no deseado, también es utilizado en la industria química. Por ejemplo, en la reducción del etino a eteno, el catalizador paladio (Pd) es "envenenado" parcialmente con acetato de plomo (II), Pb(CH3COO)2. Sin la desactivación del catalizador, el eteno producido se reduciría posteriormente a etano.1 2

Índice

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1 Generalidades

2 Características

3 Principios generales de la catálisis

o 3.1 Mecanismo típico

o 3.2 Catálisis y energética de la reacción

o 3.3 Materiales catalíticos típicos

4 Tipos de catálisis

o 4.1 Catalizadores heterogéneos

o 4.2 Catalizadores homogéneos

o 4.3 Electrocatalizadores

o 4.4 Organocatálisis

5 Importancia de la catálisis

o 5.1 Procesamiento de energía

o 5.2 Productos químicos a granel

o 5.3 Química fina

o 5.4 Procesamiento de alimentos

o 5.5 Biología

o 5.6 En el medio ambiente

6 Historia

7 Inhibidores, venenos y promotores

8 Diagramas de energía

9 Véase también

10 Referencias

11 Enlaces externos

Generalidades[editar]

La catálisis interviene en muchos procesos industriales. Así mismo, la mayoría de los procesos “biológicamente” significativos son catalizados. La investigación en catálisis es uno de los principales campos en ciencia aplicada e involucra muchas áreas de la química, especialmente en química organometálica y ciencia de materiales. La catálisis es importante para muchos aspectos de las ciencias ambientales, por ejemplo, el convertidor catalítico de los automóviles y la dinámica del agujero de ozono. Las reacciones catalíticas

son las preferidas en la química verde para un medioambiente amigable debido a la reducida cantidad de residuos que genera3 en lugar de las reaccionesestequiométricas 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 los complejos de los metales de transición se utilizan en la catálisis. Los catalizadores llamados enzimas son importantes en Biología.

El catalizador funciona proporcionando un camino de reacción alternativo al producto de reacción. La velocidad de la reacción aumenta a medida que esta ruta alternativa tiene una menor energía de activación que la ruta de reacción no mediada por el catalizador. La dismutación del peróxido de hidrógeno para dar agua y oxígeno es una reacción que está fuertemente afectada por los catalizadores:

2 H2O2 → 2 H2O + O2

Esta reacción está favorecida, en el sentido de que los productos de reacción son más estables que el material de partida, sin embargo, la reacción no catalizada es lenta. La descomposición del peróxido de hidrógeno es de hecho tan lenta 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 a la ecuación anterior. Este efecto se ve fácilmente por laefervescencia del oxígeno.4 El dióxido de manganeso puede ser recuperado sin cambios, y volver a utilizarse de forma indefinida, y por lo tanto no se consume en la reacción. En consecuencia, el dióxido de manganeso cataliza esta reacción.5

CaracterísticasLa característica general de la catálisis es que la reacción catalítica tiene un menor cambio de energía libre de la etapa limitante hasta el estado de transición que la reacción no catalizada correspondiente, resultando en una mayor velocidad de reacción a la misma temperatura. Sin embargo, el origen mecánico de la catálisis es complejo.

Los catalizadores pueden afectar favorablemente al entorno de reacción, por ejemplo, los catalizadores ácidos para las reacciones de los compuestos carbonílicos forman compuestos intermedios específicos que no se producen naturalmente, tales como los ésteres de Osmio en la dihidroxilación de alquenos catalizadas por el tetróxido de osmio, o hacer la ruptura de los reactivos a formas reactivas, como el hidrógeno atómico en la hidrogenación catalítica.

Cinéticamente, las reacciones catalíticas se comportan como las reacciones químicas típicas, es decir, la velocidad de reacción depende de la frecuencia de contacto de los reactivos en la etapa determinante de velocidad (ver ecuación de Arrhenius). Normalmente, el catalizador participa en esta etapa lenta, y las velocidades están limitadas por la cantidad de catalizador. En catálisis heterogénea, la difusión de los reactivos a la superficie de contacto y la difusión de los productos desde dicha superficie puede ser la etapa determinante de la velocidad. Eventos similares relacionados con la unión del sustrato y la disociación del producto se aplican en la catálisis homogénea.

Aunque los catalizadores no son consumidos por la propia reacción, pueden resultar inhibidos, desactivados o destruidos por procesos secundarios. En la catálisis heterogénea, procesos secundarios típicos incluyen el coqueo, donde el catalizador se cubre por productos secundarios poliméricos. Además, los catalizadores heterogéneos pueden disolverse en la solución en un sistema sólido-líquido o evaporarse en un sistema sólido-gas.

Principios generales de la catálisisMecanismo típico[

Los catalizadores generalmente reaccionan con uno o más de los reactivos para formar productos intermedios que, posteriormente, conducen al producto final de reacción. En el

proceso se regenera el catalizador. El siguiente esquema es típico de una reacción catalítica, donde C representa el catalizador, X e Y son los reactivos, y Z es el producto de la reacción de X e Y:

X + C → XC (1)

Y + XC → XYC (2)

XYC → CZ (3)

CZ → C + Z (4)

Aunque el catalizador es consumido por la reacción 1, posteriormente es producido por la reacción 4, por lo que la reacción global es:

X + Y → Z

Como el catalizador se regenera en una reacción, a menudo bastan pequeñas cantidades del catalizador para incrementar la velocidad de una reacción. Sin embargo, en la práctica los catalizadores son algunas veces consumidos en procesos secundarios.

Como ejemplo de este proceso, en 2008, investigadores daneses revelaron por primera vez la secuencia de sucesos 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 imágenes de microscopía de efecto túnel a intervalos, determinaron que las moléculas sufren adsorción, disociación y difusión antes de reaccionar. Los estados intermedios de reacción fueron: HO2, H2O2, luego H3O2 y el producto final de la reacción (dímeros de la molécula de agua), tras lo cual la molécula de agua se desorbe de la superficie del catalizador.6

Catálisis y energética de la reacción

Diagrama genérico de energía potencial mostrando el efecto de un catalizador en una hipotética

reacción química exotérmica X + Y para producir Z. La presencia del catalizador abre un camino de

reacción diferente (mostrado en rojo) con una energía de activación menor. El resultado final y la

termodinámica global son la misma.

Los catalizadores funcionan proporcionando un mecanismo (alternativo) que involucra un estado de transición diferente y una menor energía de activación. Por lo tanto, más colisiones moleculares tienen la energía necesaria para alcanzar el estado de transición. En consecuencia, los catalizadores permiten reacciones que de otro modo estarían bloqueadas o ralentizadas por una barrera cinética. El catalizador puede aumentar la velocidad de reacción o de la selectividad, o permitir que la reacción ocurra a menores temperaturas. Este efecto puede ser ilustrado con una distribución de Boltzmann y undiagrama de perfil de energía.

Los catalizadores no cambian el rendimiento de una reacción: no tienen efecto en el equilibrio químico de una reacción, debido a que la velocidad, tanto de la reacción directa como de la inversa, se ven afectadas (ver también termodinámica). El hecho de que un catalizador no cambie el equilibrio es una consecuencia de la segunda ley de la

termodinámica. Supongamos que hay un catalizador que modifica el equilibrio. La introducción del catalizador en el sistema daría lugar a la reacción para ir de nuevo al equilibrio, produciendo energía. La producción de energía es un resultado necesario, puesto que las reacciones son espontáneas sí y sólo sí se produce energía libre de Gibbs, y si no hay una barrera energética no hay necesidad de un catalizador. En consecuencia, la eliminación del catalizador también resultaría en una reacción, produciendo energía; esto es, tanto la adición, como su proceso inverso, la eliminación, producirían energía. Así, un catalizador que pudiera cambiar el equilibrio sería un móvil perpetuo, en contradicción con las leyes de la termodinámica.7

Si un catalizador cambia el equilibrio, entonces debe consumirse a medida que avanza la reacción, y por lo tanto también es un reactivo. Algunos ejemplos ilustrativos son lahidrólisis de los ésteres catalizada por bases, donde el ácido carboxílico producido reacciona inmediatamente con el catalizador base, y así el equilibrio de la reacción se desplaza hacia la hidrólisis.

La unidad derivada SI para medir la actividad catalítica de un catalizador es el katal, que es igual a moles por segundo. La actividad de un catalizador puede ser descrita por el número de conversiones, o TON (del inglés turn over number), y la eficiencia catalítica por la frecuencia de conversiones, TOF (del inglés turn over frequency). El equivalente bioquímico es la unidad de actividad enzimática. Para más información sobre la eficiencia de la catálisis enzimática, ver el artículo de Catálisis enzimática.

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

Materiales catalíticos típicos[editar]

La naturaleza química de los catalizadores es tan diversa como la catálisis misma, aunque pueden hacerse algunas generalizaciones. Los ácidos próticos son probablemente los catalizadores más ampliamente usados, especialmente para muchas reacciones que involucran agua, incluyendo la hidrólisis y su inversa. Los sólidos multifuncionales a menudo suelen ser catalíticamente activos, por ejemplo las zeolitas, la alúmina y ciertas formas de carbono grafítico. Los metales de transición son utilizados a menudo para catalizar reacciones redox (oxigenación, hidrogenación). Muchos procesos catalíticos, especialmente los que involucran hidrógeno, requieren metales del grupo del platino.

Algunos de los llamados catalizadores son, en realidad, precatalizadores. Los precatalizadores se convierten en el catalizador en el transcurso de la reacción. Por ejemplo, elcatalizador de Wilkinson RhCl(PPh3)3 pierde un ligando trifenilfosfina antes de entrar en el verdadero ciclo catalítico. Los precatalizadores son más fáciles de almacenar, pero son fácilmente activados in situ. Debido a esta etapa de preactivación, muchas reacciones catalíticas involucran un período de inducción.

Las especies químicas que mejoran la actividad catalítica son denominadas co-catalizadores o promotores, en la catálisis cooperativa.

Tipos de catálisis[editar]

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

Catalizadores heterogéneos[editar]Artículo principal: Catálisis heterogénea

Los catalizadores heterogéneos son aquellos que actúan en una fase diferente 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 superficies, dependiendo de cómo se lleva a cabo la adsorción

(Langmuir-Hinshelwood, Eley -Rideal, y Mars-van Krevelen).8 El área superficial total del sólido tiene un efecto importante en la velocidad de reacción. Cuanto menor sea el tamaño de partícula del catalizador, mayor es el área superficial para una masa dada de partículas.

Por ejemplo, en el proceso de Haber, el hierro finamente dividido sirve como un catalizador para la síntesis de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. Los gasesreactantes se adsorben en los "sitios activos" de las partículas de hierro. Una vez adsorbidos, los enlaces dentro de las moléculas reaccionantes se resienten, y se forman nuevos enlaces entre los fragmentos generados, en parte debido a su proximidad. De esta manera el particularmente fuerte triple enlace en el nitrógeno se debilita y los átomos de hidrógeno y nitrógeno se combinan más rápido de lo que lo harían el caso en la fase gaseosa, por lo que la velocidad de reacción aumenta.

Los catalizadores heterogéneos suelen estar "soportados", que significa que el catalizador se encuentra disperso en un segundo material que mejora la eficacia o minimiza su costo. A veces el soporte es más que una superficie sobre la que se transmite el catalizador para aumentar el área superficial. Más a menudo, el soporte y el catalizador interactúan, afectando a la reacción catalítica.

Catalizadores homogéneos[editar]Artículo principal: Catálisis homogénea

Normalmente los catalizadores homogéneos están disueltos en un disolvente con los sustratos. Un ejemplo de catálisis homogénea implica la influencia de H+ en laesterificación de los ésteres, por ejemplo, acetato de metilo a partir del ácido acético y el metanol.9 Para los químicos inorgánicos, la catálisis homogénea es a menudo sinónimo de catalizadores organometálicos.10

Electrocatalizadores[editar]Artículo principal: Electrocatalizador

En el contexto de la electroquímica, específicamente en la ingeniería de las pilas de combustible, que contienen varios metales los catalizadores se utilizan para mejorar las velocidades de las semirreacciones que conforman la pila de combustible. Un tipo común de electrocatalizador de pila de combustible se basa en nanopartículas de platino que están soportadas en partículas un poco mayores de carbón. Cuando este electrocatalizador de platino está en contacto con uno de los electrodos en una pila de combustible, aumenta la velocidad de reducción del oxígeno a agua (o hidróxido o peróxido de hidrógeno).

Organocatálisis[editar]Artículo principal: Organocatálisis

Mientras que los metales de transición a veces atraen más la atención en el estudio de la catálisis, las moléculas orgánicas que no contengan metales también pueden poseer propiedades catalíticas. Normalmente, los catalizadores orgánicos requieren una mayor carga (o cantidad de catalizador por unidad de cantidad de reactivo) que los catalizadores basados en metales de transición, pero estos catalizadores suelen estar disponibles comercialmente en grandes cantidades, ayudando a reducir los costos. A principios de los 2000, los organocatalizadores fueron considerados una "nueva generación" y eran competidores de los tradicionales catalizadores que contenían metales. Las reacciones enzimáticas operan a través de los principios de la catálisis orgánica.

Importancia de la catálisis[editar]

Se estima que el 90% de todos los productos químicos producidos comercialmente involucran catalizadores en alguna etapa del proceso de su fabricación.11 En 2005, los procesos catalíticos generaron cerca de 900.000 millones de dólares en productos de todo el mundo.12 La catálisis es tan penetrante que las subáreas no son fácilmente clasificables. Algunas áreas de particular concentración se estudian más adelante.

Procesamiento de energía[editar]

El refinado de petróleo hace un uso intensivo de la catálisis para la alquilación, craqueo catalítico (rotura de hidrocarburos de cadena larga en trozos más pequeños), reformado de nafta y el reformado con vapor (conversión de hidrocarburos en gas de síntesis). Incluso los gases de combustión de la quema de combustibles fósiles es tratada a través de la catálisis: convertidores catalíticos, normalmente compuestos de platino y rodio, rompen algunos de los subproductos más nocivos de los gases de escape de los automóviles.

2 CO + 2 NO → 2 CO2 + N2

Con respecto a los combustibles sintéticos, un viejo pero importante proceso es el síntesis de Fischer-Tropsch de hidrocarburos a partir del gas de síntesis, que a su vez se procesa a través de la reacción de cambio agua-gas, catalizada por el hierro. El Biodiésel y los biocombustibles relacionados requieren un procesamiento tanto a través de los catalizadores inorgánicos como de los biocatalizadores.

Las pilas de combustible se basan en catalizadores de las reacciones tanto anódicas como catódicas.

Productos químicos a granel[editar]

Algunos de los productos químicos obtenidos a gran escala se producen a través de la oxidación catalítica, a menudo usando oxígeno. Algunos ejemplos son el ácido nítrico (a partir de amoníaco), el ácido sulfúrico (a partir de dióxido de azufre a trióxido de azufre por el proceso de las cámaras de plomo), el ácido tereftálico a partir de p-xileno, y elacrilonitrilo a partir de propano y amoníaco.

Muchos otros productos químicos son generados por reducción a gran escala, a menudo a través de hidrogenación. El ejemplo a mayor escala es el amoníaco, que se prepara a través del proceso de Haber a partir de nitrógeno. El Metanol es preparado a partir de monóxido de carbono.

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

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

Química fina[editar]

Muchos productos de química fina se preparan a través de la catálisis, los métodos incluyen a los de la industria pesada, así como procesos más especializados que serían prohibitivamente caros a gran escala. Algunos ejemplos son la metátesis de olefinas usando el catalizador de Grubbs, la reacción de Heck, y la reacción 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[editar]

Una de las aplicaciones más obvias de la catálisis es la hidrogenación (reacción con el hidrógeno gas) de las grasas usando níquel como catalizador para producir lamargarina.13 Muchos otros productos alimenticios se preparan a través de biocatálisis (véase más abajo).

Biología[editar]Artículo principal: Biocatalizador

En la naturaleza, las enzimas son catalizadores en el metabolismo y el catabolismo. La mayoría de biocatalizadores están basados en proteínas, es decir, enzimas, pero otras clases de biomoléculas también exhiben propiedades catalíticas incluyendo las ribozimas, y de desoxirribozimas sintéticas.14

Los biocatalizadores se pueden considerar como intermedio entre los catalizadores homogéneos y los heterogéneos, aunque estrictamente hablando las enzimas solubles son catalizadores homogéneos y las enzimas enlazadas a membrana son heterogéneas. Varios factores afectan la actividad de las enzimas (y otros catalizadores), incluyendo la temperatura, el pH, la concentración de la enzima, el sustrato y los productos. Un reactivo particularmente importante en las reacciones enzimáticas es el agua, que es el producto de muchas de las reacciones en que se forman enlaces y un reactivo en muchos procesos en que se rompen enlaces.

Las enzimas se emplean para preparar los productos químicos básicos, incluyendo el jarabe de maíz y la acrilamida.

En el medio ambiente[editar]

La catálisis tiene un impacto en el medio ambiente mediante el aumento de la eficiencia de los procesos industriales, pero la catálisis también juega un papel directo en el medio ambiente. Un ejemplo notable es el papel catalítico de los radicales libres del en la destrucción del ozono. Estos radicales se forman por la acción de la radiación ultravioleta  sobre los clorofluorocarburos (CFC)

ClO· + O· → Cl· + O2

Cl· + O3 → ClO· + O2

Historia[editar]

En un sentido general, cualquier cosa que aumenta la velocidad de un proceso es un "catalizador", un término derivado del griego, que significa "anular", "desatar", o "recoger". La frase procesos catalizados fue acuñada por Jöns Jakob Berzelius en 183615 para describir las reacciones que son aceleradas por sustancias que permanecen sin cambios después de la reacción. Otro de los primeros químicos involucrados en la catálisis fue Alexander Mitscherlich quien se refirió a los procesos de contacto y Johann Wolfgang Döbereiner que habló 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 la catálisis. En la década de 1880, Wilhelm Ostwald en la Universidad de Leipzig inició una investigación sistemática de las reacciones que eran catalizadas por la presencia de los ácidos y las bases, y encontró que las reacciones químicas ocurren a una velocidad finita y que estas velocidades pueden utilizarse para determinar la fuerza de ácidos y bases. Por este trabajo, Ostwald fue galardonado en 1909 con el Premio Nobel de Química.16

Inhibidores, venenos y promotores[editar]

Las sustancias que reducen la acción de los catalizadores son llamadas inhibidores catalíticos si son reversibles, y venenos catalíticos si son irreversibles. Los promotores son sustancias que aumentan la actividad catalítica, en particular cuando no son catalizadores en sí mismos.

El inhibidor puede modificar la selectividad además de la velocidad. Por ejemplo, en la reducción del etino a eteno, el catalizador es paladio (Pd), parcialmente "envenenado" con acetato de plomo (II) (Pb(CH3COO)2). Sin la desactivación del catalizador, el etileno producido se reducirá aún más, hasta etano.1 2

El inhibidor puede producir este efecto por ejemplo, envenenando selectivamente sólo a ciertos tipos de sitios activos. Otro mecanismo es la modificación de la geometría de la

superficie. Por ejemplo, en las operaciones de hidrogenación, grandes planchas de superficie metálica funcionan como lugares de catálisis hidrogenolítica mientras que los sitios que catalizan la hidrogenación de los insaturados son menores. Así, un veneno que cubre la superficie al azar tienden a reducir el número de grandes planchas no contaminada, pero dejan proporcionalmente más sitios pequeños libres, así se cambia la hidrogenación frente a la hidrogenolisis selectiva. También son posibles otros muchos mecanismos.17

Diagramas de energía[editar]

Artículo principal: Teoría del estado de transición

Artículo principal: Dinámica química

Diagrama de energías.

La figura muestra el diagrama de una reacción catalizada, mostrando como varía la energía (E) de las moléculas que participan en la reacción durante el proceso de reacción (tiempo, t). Todas las moléculas contienen una cantidad determinada de energía, que depende del número y del tipo de enlaces presentes en ella. Los sustratos o reactivos (A y B) tienen una energía determinada, y el o los productos (AB en el gráfico), otra.

Si la energía total de los sustratos es mayor que la de los productos (por ejemplo como se muestra en el diagrama), una reacción exotérmica, y el exceso de energía se desprende en forma de calor. Por el contrario, si la energía total de los sustratos es menor que la de los productos, se necesita tomar energía del exterior para que la reacción tenga lugar, lo que se denomina reacción endotérmica.

Cuando las moléculas de los sustratos se van acercando para reaccionar, pierden estabilidad (usando una analogía antropomórfica, a las moléculas "les gusta" mantener su espacio vital, y las intromisiones no son bienvenidas). La inestabilidad se manifiesta como un aumento de la energía del sistema (es el pico de energía que se ve en el diagrama). Cuando los sustratos se convierten en productos, las moléculas se separan y se relajan de nuevo, y el conjunto se estabiliza.

Las enzimas catalizan las reacciones estabilizando el intermedio de la reacción, de manera que el "pico" de energía necesario para pasar de los sustratos a los productos es menor. El resultado final es que hay muchas más moléculas de sustrato que chocan y reaccionan para dar lugar a los productos, y la reacción transcurre en general más deprisa. Un catalizador puede catalizar tanto reacciones endotérmicas como exotérmicas, porque en los dos casos es necesario superar una barrera energética. El catalizador (E) crea un microambiente en el que A y B pueden alcanzar el estado intermedio (A...E...B) más fácilmente, reduciendo la cantidad de energía necesaria (E2). Como resultado, la reacción es más fácil, optimizando la velocidad de dicha reacción.

Los catalizadores no alteran el equilibrio químico propio de la reacción en ningún caso.

Véase también[editar]

Actividad enzimática

Catalizador Lindlar

Níquel Raney

Reactor químico

Referencias[editar]

1. ↑ Saltar a:a b Jencks, W.P. Catalysis in Chemistry and Enzymology. McGraw-Hill, New

York, 1969. ISBN 0-07-032305-4.

2. ↑ Saltar a:a b Bender, Myron L; Makoto Komiyama y Raymond J Bergeron The

Bioorganic Chemistry of Enzymatic Catalysis. Wiley-Interscience, Hoboken, U.S.,

1984 ISBN 0-471-05991-9.

3. Volver arriba↑ «The 12 Principles of Green Chemistry». United States Environmental

Protection Agency. Consultado el 31-07-2006.

4. Volver arriba↑ «Genie in a Bottle». University of Minnesota (02-03-2005).

5. Volver arriba↑ Masel, Richard I. Chemical Kinetics and Catalysis Wiley-Interscience,

New York, 2001. ISBN 0-471-24197-0.

6. Volver arriba↑ «Making Water Step by Step», Chemical & Engineering News, 16 de

febrero de 2009, p. 10.

7. Volver arriba↑ Robertson, A.J.B. Catalysis of Gas Reactions by Metals. Logos Press,

London, 1970.

8. Volver arriba↑ Knözinger, Helmut; Karl Kochloefl «Heterogeneous Catalysis and Solid

Catalysts» in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2002, Wiley-VCH,

Weinheim.doi 10.1002/14356007.a05_313. Article Online Posting Date: January 15,

2003.

9. Volver arriba↑ Behr, Arno «Organometallic Compounds and Homogeneous Catalysis»,

en Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2002, Wiley-VCH,

Weinheim. doi 10.1002/14356007.a18_215. Article Online Posting Date: June 15, 2000.

10. Volver arriba↑ Elschenbroich, C. Organometallics (2006) Wiley-VCH: Weinheim. ISBN

978-3-29390-6.

11. Volver arriba↑ "Recognizing the Best in Innovation: Breakthrough Catalyst". R&D

Magazine, September 2005, pg 20.

12. Volver arriba↑ (pdf).

13. Volver arriba↑ «Types of catalysis». Chemguide. Consultado el 09-07-2008.

14. Volver arriba↑ Nelson, D. L.; Cox, M. M. Lehninger, Principles of Biochemistry 3rd Ed.

Worth Publishing: New York, 2000. ISBN 1-57259-153-6.

15. Volver arriba↑ Laidler, K.J. y J.H. Meiser, Physical Chemistry, Benjamin/Cummings

(1982), p.423.

16. Volver arriba↑ M.W. Roberts (2000). «Birth of the catalytic concept (1800-

1900)». Catalysis Letters 67 (1):  pp. 1–4. doi:10.1023/A:1016622806065.

17. Volver arriba↑ Hielscher. «Sonocatalisis» (en espanol). Consultado el 30 de abril de

2012.

Enlaces externos[editar]

 Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Catálisis.

 Wikcionario tiene definiciones y otra información sobre catálisis.

Science Aid: Catalysts  Page for high school level science

W.A. Herrmann Technische Universität presentation [1]

Alumite Catalyst, Kameyama-Sakurai Laboratory, Japan

Inorganic Chemistry and Catalysis Group, Utrecht University, The Netherlands

Centre for Surface Chemistry and Catalysis

Carbons & Catalysts Group, University of Concepción, Chile

Center for Enabling New Technologies Through Catalysis, An NSF Center for Chemical

Innovation, USA

[2] "Bubbles turn on chemical catalysts," Science News magazine online, April 6, 2009.

Esta obra deriva de la traducción de Catalysis de la Wikipedia en inglés, publicada

por sus editores bajo la Licencia de documentación libre de GNU y la Licencia Creative

Commons Atribución-CompartirIgual 3.0 Unported.

Catálisis

La catálisis es el proceso a través del cual se incrementa la velocidad de una reacción química. El proceso de catálisis implica la presencia de una sustancia que hace parte del sistema y sin embargo la reacción se puede llevar a cabo sin ella. Esta sustancia se llama catalizador. Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción, reaccionando, regenerándose y que puede ser recuperado al final de la reacción (el catalizador se fragmenta en pequeñas partículas para acelerar el proceso). Si retarda la reacción, se llama inhibidor.

Naturaleza del Proceso

La velocidad de reacción depende de las velocidades de los pasos del mecanismo. La función del catalizador es simplemente proveer un mecanismo adicional (ruta diferente) para ir de reactivos a productos. Este mecanismo de alternativa tiene una energía de activación menor que el mecanismo en ausencia de catalizador; por otra parte, normalmente el Factor de Frecuencia A -véase también Cinética y Mecanismos de Reacción- es parecido para la reacción

no catalizada y la catalizada. De aquí que la constante de velocidad de la reacción catalizada sea mayor que la no catalizada.

Clasificación de la Catálisis

La catálisis se clasifica en función de la naturaleza química del medio de la reacción. A partir del número de fases presentes y de la química implicada es posible agrupar de acuerdo a su aplicación.

• Catálisis homogénea

• Catálisis ácido-base

• Catálisis heterogénea

• Catálisis enzimática

El catalizador, por definición, no cambia su concentración durante la reacción de catálisis (la reacción intermedia que reduce la energía de activación. Sin embargo, es posible que sí participe en la reacción global, y se habla entonces de una reacción autocatalítica.

En biología, los catalizadores más importantes son las enzimas, biomoléculas responsables de regular la velocidad de un gran número de reacciones en los seres vivos, incluyendo todo el metabolismo. Véase, por ejemplo, la ADN polimerasa.

En los procesos industriales, la catálisis es de enorme importancia, ya que permite llevar a cabo las reacciones en tiempos mucho más cortos, con el consiguiente beneficio económico. Véase, por ejemplo, el proceso de Haber.

Aunque los catalizadores no se consumen directamente en la reacción, sí que hay que tener en cuenta la posibilidad del envenenamiento de un catalizador: la reacción con una impureza que convierte el catalizador en otra sustancia (otro compuesto químico) sin actividad catalítica.

No debe confundirse con absorción.

Adsorción

La adsorción es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material en contraposición a la absorción, que es un fenómeno de volumen. Es decir es un proceso en el cual un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua por contacto con una superficie sólida (adsorbente). El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción.

En química, la adsorción de una sustancia es su acumulación en una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido o líquido.

Considérese una superficie limpia expuesta a una atmósfera gaseosa. En el interior del material, todos los enlaces químicos (ya sean iónicos, covalentes o metálicos) de los átomos constituyentes están satisfechos. En cambio, por definición la superficie representa una discontinuidad de esos enlaces. Para esos enlaces incompletos, es energéticamente favorable el reaccionar con lo que se encuentre disponible, y por ello se produce de forma espontánea.

La naturaleza exacta del enlace depende de las particularidades de los especímenes implicados, pero el material adsorbido es generalmente clasificado como fisisorbido o quimisorbido

La cantidad de material que se acumula depende del equilibrio dinámico que se alcanza entre la tasa a la cual el material se adsorbe a la superficie y la tasa a la cual se evapora, y que normalmente dependen de forma importante de la temperatura. Cuanto mayor sea la tasa de adsorción y menor la de desorción, mayor será la fracción de la superficie disponible que será cubierta por material adsorbido en el equilibrio.

Para estos procesos, resultan interesantes materiales con una gran superficie interna, (y por lo tanto poco volumen) ya sea en polvo o granular, como el carbón activo, y llevan asociados otros fenómenos de transporte de material, como el macro transporte y micro transporte de los reactivos.

La adsorción por carbón activado es una tecnología bien desarrollada capaz de eliminar eficazmente un amplio rango de compuestos tóxicos. Produciendo un efluente de muy alta calidad

Índice [ocultar]

1 Tipos de adsorción según la atracción entre soluto y adsorbente

2 Termodinámica de la adsorción[1]

3 Fisisorción

4 Quimisorción

5 Aplicaciones

6 Véase también

7 Referencias

Tipos de adsorción según la atracción entre soluto y adsorbente[editar]

Adsorción por intercambio: Ocurre cuando los iones de la sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie (p. ej. en las cercanías de un electrodo cargado).

Adsorción física: Se debe a las fuerzas de Van der Waals y la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, y por ello está libre de trasladarse en la interfase.

Adsorción química: Ocurre cuando el adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del adsorbente.

Termodinámica de la adsorción1 [editar]

La adsorción es el proceso mediante el cual un sólido poroso (a nivel microscópico) es capaz de retener partículas de un fluido en su superficie tras entrar en contacto con éste.

Archivo:Activated-carbon.jpg

Nanoporos en una muestra de carbón activo vista al microscopio electrónico.

El adsorbente dispone de nanoporos, lo que se conoce como centros activos, en los que las fuerzas de enlace entre los átomos no están saturadas. Estos centros activos admiten que se instalen moléculas de naturaleza distinta a la suya, procedentes de un gas en contacto con su superficie. La adsorción es un proceso exotérmico y se produce por tanto de manera espontánea si el adsorbente no se encuentra saturado.

La aplicación más importante de la termodinámica de la adsorción es la de calcular los equilibrios de fase entre un sólido adsorbente y una mezcla gaseosa. En este desarrollo, por simplicidad, sólo tomaremos en consideración gases puros (monocomponentes).

La base de todo este cálculo son las isotermas de adsorción, las cuales dan la cantidad de gas adsorbido en los nanoporos como una función de la presión externa (del gas). La termodinámica sólo puede aplicarse a las isotermas de adsorción en el equilibrio. Esto significa que se debe poder llegar a cualquier punto de la curva elevando o disminuyendo la presión; en otras palabras, las curvas de adsorción y desorción tienen que coincidir. Esto ocurre sólo si no

existe histéresis. La histéresis no se da en poros menores de 2 nm, sin embargo, se observa en poros lo suficientemente grandes como para que en su interior se condense gas para formar líquido.

La isoterma de adsorción para un gas puro es la relación entre la cantidad adsorbida específica n (moles de gas por kilogramo de sólido) y P, la presión exterior de la fase gaseosa. La mayor parte de isotermas se pueden ajustar mediante una ecuación del virial modificada:

P(n)=\frac{n}{K}\left[\frac{m}{m-n}\right]e^{[C_1n+C_2n^2+C_3n^3+...]} \qquad para \qquad n<m \qquad (1)

donde K es la constante de Henry (el valor de la isoterma de adsorción dn/dP cuando la presión tiende a cero), m la capacidad de saturación del medio sólido (mol kg-1) y Ci son los coeficientes del virial. Normalmente tres coeficientes bastan para ajustar la curva a los datos experimentales.

Isotermas de adsorción del C2H4 en NaX. Ecuación (1) frente a datos experimentales.

Nótese que las isotermas han de obtenerse a partir de la interpolación de datos experimentales, aunque existen también modelos moleculares, al margen de la termodinámica, de los que se pueden obtener teóricamente las propiedades del sistema. La interpolación de las isotermas de adsorción respecto de la temperatura se basa en la ecuación

\bar h = R \left[ \frac{\partial \ln P}{\partial (1/T)} \right]_n \qquad (2)

donde \bar h es la entalpía de adsorción diferencial, negativa porque la adsorción es un proceso exotérmico, como ya hemos comentado. El valor absoluto de \bar h se denomina "calor isostérico".

Normalmente la entalpía diferencial se calcula a partir de la ecuación (2) haciendo uso de dos o más isotermas de adsorción. El gran potencial desempeña un papel fundamental en la termodinámica de la adsorción. Se define como

\Omega = F - \sum_i n_i \mu_i = - P V \qquad (3)

donde F es la energía libre de Helmholtz. Las variables independientes son temperatura, volumen y potencial químico. Para adsorción en un gas puro, el gran potencial se obtiene a partir de la integración de una isoterma:

\Omega = - RT \int_0^R \frac{n}{P} dP = - RT \int_0^n \left[ \frac{\partial ln P}{\partial n} \right]_T dn \qquad (4)

Ω se expresa en J kg-1 de adsorbente sólido. El significado físico del gran potencial es la variación de energía libre asociada a la inmersión isotérmica del adsorbente 'virgen' en el volumen del gas.

La entalpía de inmersión H es la integral de la entalpía diferencial:

H = \int_o^n \bar h dn \qquad (5)

Al igual que Ω, tiene unidades de J kg-1.

Una vez obtenidas la energía de inmersión (Ω) y la entalpía de inmersión (H), la entropía de inmersión es:

S = \frac{H - \Omega}{T} \qquad (6)

A partir de estas ecuaciones se puede hacer todo el análisis termodinámico en un sistema formado por un adsorbente y un gas. No debemos dejar de tener en cuenta que la determinación de la ecuación (1), de donde hemos derivado todas las demás, se hace a partir de mediciones experimentales.

Fisisorción[editar]

La fisisorción es la forma más simple de adsorción, y es debida a débiles fuerzas atractivas, generalmente fuerzas de Van der Waals (véase fuerzas dispersivas). Dado que estas fuerzas son omnipresentes, resulta que rápidamente cualquier superficie limpia expuesta al ambiente acumula una capa de material fisisorbido.

Quimisorción[editar]

La quimisorción ocurre cuando un enlace químico se forma, definido en este caso como un intercambio de electrones. El grado de intercambio y lo simétrico que sea dependen de los

materiales involucrados. A menudo hay un paralelismo con las situaciones encontradas en química de coordinación. La quimisorción es particularmente importante en la catálisis heterogénea, la forma más común en la industria, donde un catalizador sólido interacciona con un flujo gaseoso, el reactivo o los reactivos, en lo que se denomina reacción en lecho fluido. La adsorción del reactivo por la superficie del catalizador crea un enlace químico, alterando la densidad electrónica alrededor de la molécula reactivo y permitiendo reacciones que normalmente no se producirían en otras circunstancias. La corrosión es un ejemplo de ello.

Aplicaciones[editar]

Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción en el mundo industrial, es la extracción de humedad del aire comprimido.

Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a través de un lecho de alúmina activa u otros materiales con efecto de adsorción a la molécula de agua.

La saturación del lecho se consigue sometiendo a presión el gas o aire, así la molécula de agua es adsorbida por la molécula del lecho, hasta su saturación.

La regeneración del lecho, se consigue soltando al exterior este aire comprimido y haciendo pasar una corriente de aire presecado a través del lecho.

Lo habitual es encontrar secadores de adsorción en forma de dos columnas y mientras una adsorbe, la otra es regenerada por el mismo aire seco de la columna anterior. Este sistema se conoce como "pressure swing adsorbtion" o PSA. Conocido también como cambio de presión por vaivén.

Otras aplicaciones en las que se emplea éste proceso de adsorción como separación son: purificación de agua, tratamiento de aguas residuales, quitar olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites, jarabes de azúcar, en la deshumidificación de gasolinas, o en el secado de aire.

La otra aplicación más extendida es la obtención de nitrógeno, haciendo pasar un caudal de aire comprimido por el lecho adsorbente, compuesto por carbón molécular, especialmente manufacturado para ese propósito.

Usa el mismo sistema ya mencionado de "pressure swing", de los secadores de adsorción. Una cámara llena de carbón es sometida a presión con aire comprimido, la molécula de Oxigeno, es retenida por el nanoporo del carbón, mientras que la molécula de Nitrógeno, de más tamaño, no consigue entrar en el nanoporo del adsorbente. Se consegui así, disponer de gran cantidad de nitrogeno después del lecho adsorbente y el oxigeno, queda retenido. En la segunda parte del ciclo, con la despresurización, el oxigeno se libera del nanoporo y se evacua a la atmósfera.

Los generadores de nitrogeno, usan este sistema y sus aplicaciones se han generalizado en la industria, en usos como la inertización de depósitos, de envases de productos alimenticios o farmacéuticos y en laboratorios, donde se usa el nitrógeno como gas portador o inertización de cámaras.

Véase también[editar]

Absorción (química)Para otros usos de este término, véase Absorción.

Absorción es la operación unitaria que consiste en la separación de uno o más componentes de una mezcla gaseosa con la ayuda de un solvente líquido con el cual formasolución (un soluto A, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la líquida). Este proceso implica una difusión molecular turbulenta o una transferencia de masa del soluto A a través del gas B, que no se difunde y está en reposo, hacia un líquido C, también en reposo. Un ejemplo es la absorción de amoníaco A del aire B por medio de agua líquida C. Al proceso inverso de la absorción se le llama empobrecimiento o desorción; cuando el gas es aire puro y el líquido es agua pura, el proceso se llama deshumidificación, la deshumidificación significa extracción de vapor de agua del aire.

Índice

  [ocultar] 

1 Regla de las fases y equilibrio perfecto

o 1.1 Solubilidad de gases en líquidos en el equilibrio

1.1.1 Sistemas de dos componentes

2 Elección del disolvente para la absorción

3 Torres empacadas (o de relleno)

o 3.1 Empaque

3.1.1 Empaques al azar

3.1.2 Empaques regulares

3.1.3 Soportes de empaque

o 3.2 Cuerpo de la torre

4 Absorción con reacción química

5 Véase también

6 Referencias

Regla de las fases y equilibrio perfecto[editar]

Para predecir la concentración de un soluto en dos fases en equilibrio, se requieren datos de equilibrio experimentales. Además, si las dos faseimpulsora, que es la desviación con respecto al equilibrio. Las variables importantes que afectan al equilibrio de un soluto son temperatura, presión y concentración. El equilibrio entre dos fases en cualquier caso, está restringido por la regla de las fases:   donde P es el número de fases en equilibrio, C es el número de componentes totales en las dos fases (cuando no se verifican reacciones químicas), y F es el número de variantes o grados de libertad del sistema. Para el equilibrio líquido-gas se tiene 2 componentes y 2 fases, por lo tanto:  . Se tiene 2 grados de libertad y las combinaciones pueden ser: (PA, T), (yA, T), (xA, T)..

Solubilidad de gases en líquidos en el equilibrio[editar]

Sistemas de dos componentes[editar]

Si cierta cantidad de un gas simple y un líquido relativamente no volátil se llevan al equilibrio la concentración resultante del gas disuelto en el líquido recibe el nombre de solubilidad del gas a la temperatura y presión predominantes. A una temperatura dada, la solubilidad aumentará con la presión La solubilidad de cualquier gas depende de la temperatura, y depende en la forma descrita por la ley de van ‘t Hoff para el equilibrio móvil: “si se aumenta la temperatura de un sistema en equilibrio, ocurrirá un cambio durante el cual se absorberá calor”.

Sistemas de multicomponentes:

Si una mezcla de gases se pone en contacto con un líquido, la solubilidad en el equilibrio de cada gas será, en ciertas condiciones, independiente de la de los demás, siempre y cuando el equilibrio se describa en función de las presiones parciales en la mezcla gaseosa. Si todos los componentes del gas, excepto uno, son básicamente insolubles, sus concentraciones en el líquido serán tan pequeñas que no podrán modificar la solubilidad del componente relativamente soluble; entonces se puede aplicar la generalización Si varios componentes de la mezcla son apreciablemente solubles, la generalización será aplicable únicamente si los gases que se van a disolver son indiferentes ante la naturaleza del líquido; esto sucederá en el caso de las soluciones ideales. Por ejemplo, el propano y butano gaseosos de una mezcla se disolverán por separado en un aceite de parafina no volátil, puesto que las soluciones que se obtienen son básicamente ideales Soluciones líquidas ideales Cuando una fase líquida se puede considerar ideal, la presión parcial en el equilibrio de un gas en la solución puede ser calculada sin necesidad de determinaciones experimentales.

Hay cuatro características significativas de las soluciones ideales; todas se relacionan entre sí:

➢ Las fuerzas intermoleculares promedio de atracción y repulsión en la solución no cambian al mezclar los componentes.

➢ El volumen de la solución varia linealmente con la composición.

➢ No hay absorción ni evolución de calor al mezclar los componentes. Sin embargo, en el caso de gases que se disuelven en líquidos, este criterio no incluye el calor de condensación del gas al estado líquido.

➢ La presión.total de vapor de la solución varía linealmente con la composición expresada en fracción mol.

En particular, los miembros adyacentes o casi adyacentes de una serie homóloga de compuestos orgánicos pertenecen a esta categoría. Así, por ejemplo, las soluciones de benceno en tolueno, de alcohol etílico y propílico o las soluciones de gases de hidrocarburos parafínicos en aceites de parafina pueden generalmente considerarse como soluciones ideales. Cuando la mezcla gaseosa en equilibrio con una solución liquida ideal, sigue también la ley de los gases ideales, la presión parcial p* de un soluto gaseoso A es igual al producto de su presión de vapor p a la misma temperatura por su fracción mol en la solución x.

Elección del disolvente para la absorción[editar]

Si el propósito principal de la operación de absorción es producir una solución específica, el disolvente es especificado por la naturaleza del producto. Si el propósito principal es eliminar algún componente del gas, casi siempre existe la posibilidad de elección. Por supuesto, el agua es el disolvente más barato y más completo, pero debe darse considerable importancia a las siguientes propiedades:

1. Solubilidad del gas. La solubilidad del gas debe ser elevada, a fin de aumentar la rapidez de la absorción y disminuir la cantidad requerida de disolvente. En general, los disolventes de naturaleza química similar a la del soluto que se va a absorber proporcionan una buena solubilidad. Para los casos en que son ideales las soluciones formadas, la solubilidad del gas es la misma, en fracciones mol, para todos los disolventes. Sin embargo, es mayor, en fracciones peso, para los disolventes de bajo peso molecular y deben utilizarse pesos menores de estos disolventes. Con frecuencia, la reacción química del disolvente con el soluto produce una solubilidad elevada del gas; empero, si se quiere recuperar el disolvente para volverlo a utilizar, la reacción debe ser reversible.

2. Volatilidad. El disolvente debe tener una presión baja de vapor, puesto que el gas saliente en una operación de absorción generalmente está saturado con el disolvente y en consecuencia, puede perderse una gran cantidad. Si es necesario, puede utilizarse un líquido menos volátil para recuperar la parte evaporada del primer disolvente.

3. Corrosión. Los materiales de construcción que se necesitan para el equipo no deben ser raros o costosos.

4. Costo. El disolvente debe ser barato, de forma que las pérdidas no sean costosas, y debe obtenerse fácilmente.

5. Viscosidad. Se prefiere la viscosidad baja debido a la rapidez en la absorción, mejores características en la inundación de las torres de absorción, bajas caídas de presión en el bombeo y buenas características de transferencia de calor.

6. Otros. Si es posible, el disolvente no debe ser tóxico, ni inflamable, debe ser estable químicamente y tener un punto bajo de congelamiento.

Torres empacadas (o de relleno)[editar]

Las torres empacadas, o torres de relleno, utilizadas para el contacto continuo del líquido y del gas tanto en el flujo a contracorriente como a corriente paralela, son columnas verticales que se han llenado con empaque o con dispositivos de superficie grande. El líquido se distribuye sobre éstos y escurre hacia abajo, a través del lecho empacado, de tal forma que expone una gran superficie al contacto con el gas.

Empaque[editar]

El empaque (llamado relleno en España) de la torre debe ofrecer las siguientes características:

1. Proporcionar una superficie interfacial grande entre el líquido y el gas. La superficie del empaque por unidad de volumen de espacio empacado am debe ser grande, pero no en el sentido microscópico.

2. Poseer las características deseables del flujo de fluidos. Esto generalmente significa que el volumen fraccionario vacío, o fracción de espacio vacío, en el lecho empacado debe ser grande. El empaque debe permitir el paso de grandes volúmenes de fluido a través de pequeñas secciones transversales de la torre, sin recargo o inundación; debe ser baja la caída de presión del gas.

3. Ser químicamente inerte con respecto a los fluidos que se están procesando.

4. Ser estructuralmente fuerte para permitir el fácil manejo y la instalación.

5. Tener bajo precio.

Los empaques son principalmente de dos tipos, aleatorios y regulares.

Empaques al azar[editar]

Los empaques al azar son aquellos que simplemente se arrojan en la torre durante la instalación y que se dejan caer en forma aleatoria. En el pasado se utilizaron materiales fácilmente obtenibles; por ejemplo, piedras rotas, grava o pedazos de coque; empero, aunque estos materiales resultan baratos, no son adecuados debido a la pequeña superficie y malas características con respecto al flujo de fluidos.

Los anillos de Raschig son cilindros huecos, cuyo diámetro va de 6 a 100 mm o más. Pueden fabricarse de porcelana industrial, que es útil para poner en contacto a la mayoría de los líquidos, con excepción de álcalis y ácido fluorhídrico; de carbón que es útil, excepto en atmósferas altamente oxidantes; de metales o de plásticos. Los plásticos deben escogerse con especial cuidado, puesto que se pueden deteriorar, rápidamente y con temperaturas apenas elevadas, con ciertos solventes orgánicos y con gases que contienen oxígeno. Los empaques de hojas delgadas de metal y de plástico ofrecen la ventaja de ser ligeros, pero al fijar los límites de carga se debe prever que la torre puede llenarse inadvertidamente con líquido. Los anillos de Lessing y otros con particiones internas se utilizan con menos frecuencia. Los empaques con forma de silla de montar, los de Berl e Intalox y sus variaciones se pueden conseguir en tamaños de 6 a 75 mm; se fabrican de porcelanas químicas o plásticos. Los anillos de Pall, también conocidos como Flexirings, anillos de cascada y, como una variación, los Hy-Pak, se pueden obtener de metal y de plástico. Generalmente, los tamaños más pequeños de empaques al azar ofrecen superficies específicas mayores (y mayores caídas de presión), pero los tamaños mayores cuestan menos por unidad de volumen. A manera de orientación general: los tamaños de empaque de 25 mm o mayores se utilizan generalmente para un flujo de gas de 0.25 m³/s, 50 mm o mayores para un flujo del gas de 1 m³/s. Durante la instalación, los empaques se vierten en la torre, de forma que caigan aleatoriamente; con el fin de prevenir la ruptura de empaques de cerámica o carbón, la torre puede llenarse inicialmente con agua para reducir la velocidad de caída.

Empaques regulares[editar]

Los empaques regulares ofrecen las ventajas de una menor caída de presión para el gas y un flujo mayor, generalmente a expensas de una instalación más costosa que la necesaria para los empaques aleatorios. Los anillos hacinados de Raschig son económicos solo en tamaños muy grandes. Hay varias modificaciones de los empaques metálicos expandidos. Las rejillas o “vallas” de madera no son caras y se utilizan con frecuencia cuando se requieren volúmenes vacíos grandes; como en los gases que llevan consigo el alquitrán de los hornos de coque, o los líquidos que tienen partículas sólidas en suspensión. La malla de lana de alambre tejida o de otro tipo, enrollada en un cilindro como sí fuese tela (Neo-Kloss), u otros arreglos de gasa metálica (Koch-Sulzer, Hyperfil y Goodloe) proporcionan

una superficie interfacial grande de líquido y gas en contacto y una caída de presión muy pequeña; son especialmente útiles en la destilación al vacío.

Soportes de empaque[editar]

Es necesario un espacio abierto en el fondo de la torre, para asegurar la buena distribución del gas en el empaque. En consecuencia, el empaque debe quedar soportado sobre el espacio abierto. Por supuesto, el soporte debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso de una altura razonable de empaque; debe tener un área libre suficientemente amplia para permitir el flujo del líquido y del gas con un mínimo de restricción. Se prefieren los soportes especialmente diseñados que proporcionan paso separado para el gas y el líquido. Su área libre para el flujo es del orden del 85%; puede fabricarse en diferentes modificaciones y diferentes materiales, inclusive en metales, metales expandidos, cerámica y plásticos.

Cuerpo de la torre[editar]

Esta puede ser de madera, metal, porcelana química, ladrillo a prueba de ácidos, vidrio, plástico, metal cubierto de plástico o vidrio, u otro material, según las condiciones de corrosión. Para facilitar su construcción y aumentar su resistencia, generalmente son circulares en la sección transversal.o semitransversal

Absorción con reacción química[editar]

Muchos procesos industriales de absorción van acompañados de una reacción química. Es especialmente común la reacción en el líquido del componente absorbido y de un reactivo en el líquido absorbente. Algunas veces, tanto el reactivo como el producto de la reacción son solubles, como en la absorción del dióxido de carbono en una solución acuosa de etanolaminas u otras soluciones alcalinas. Por el contrario, los gases de las calderas que contienen dióxido de azufre pueden ponerse en contacto con lechadas de piedra caliza en agua, para formar sulfito de calcio insoluble. La reacción entre el soluto absorbido y un reactivo produce dos hechos favorables a la rapidez de absorción: (1) la destrucción del soluto absorbido al formar un compuesto reduce la presión parcial en el equilibrio del soluto y, en consecuencia, aumenta la diferencia de concentración entre el gas y la interfase; aumenta también la rapidez de absorción; (2) el coeficiente de transferencia de masa de la fase líquida aumenta en magnitud, lo cual también contribuye a incrementar la rapidez de absorción. Estos efectos se han analizado bastante desde el punto de vista teórico, pero se han verificado experimentalmente poco.