ENSEÑANZA DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA
CATÁLISIS
INTRODUCCIÓN.
En los
oscuros comienzos de la química, cuando ésta era tan sólo alquimia, existía
la creencia de que las transformaciones de la materia, se podían avivar
por determinadas sustancias, incluida la piedra filosofal en sus diferentes
acepciones. El término de catálisis se atribuye al sueco Berzelius que
en el Edin.Phil.J. XXI,223,1836 escribe:@..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@
[1]
. Sin embargo la palabra así mencionada ya aparece en la Alchymia
de Libavius de 1595, verdadero compendio de química hasta aquellas fechas,
porque en su estructura etimológica griega significa disolución
[2]
; destrucción de un compuesto,
y la destrucción era una fase dentro de la Obra
Alquímica. Precediendo a Berzelius, su amigo y colaborador, Mitscherlich,
la denominó en 1834 Aacción
de contacto@. Sería
Ostwald, el que nos legó el concepto de catálisis y catalizador, tal como
lo conocemos actualmente. En química a la gota primeramente se estudiará
la catálisis en la descomposición del peróxido de hidrógeno, producto
muy barato y de uso corriente, tomando el sentido berzeliano del término.
ACCIÓN
CATALÍTICA EN LA DESCOMPOSICIÓN DEL PERÓXIDO DE HIDRÓGENO
La descomposición
de peróxido de hidrógeno, con producción de oxígeno se formula así:
2H2O2(aq)
2H2O(l)
+ O2(g)
Esta
reacción tiene una energía de activación de 75 kJ/mol, por eso es muy
lenta para visualizarla en fotografía digital, sobre todo en invierno
a temperatura ambiente (en retroproyección era mucho más rápida por que
se activa con el calor desprendido por el sistema de retroproyección).
Como
criterio visual del aumento de velocidad de reacción, se tomará el tiempo
y la cantidad de burbujas de oxígeno que se desprenden, comparando una
reacción sin catalizar con otra catalizada con diferentes tipos de catalizadores.
Se va
a emplear peróxido de hidrógeno del 30%, a efecto de aumentar la velocidad
de la reacción, y realizar las tomas en menos tiempo. Si se usase del
6% (la normal en retroproyección) se tardaría un tiempo demasiado largo
en visualizar el desprendimiento de oxígeno.
La primera
acción catalítica a estudiar es la del ion Cu2+
foto 1
Las fotografías presentan en un montaje en blanco, a la izquierda: una caja Petri con 3 gotas de peróxido de hidrógeno 30%, mientras que en la de la derecha, la misma cantidad de peróxido de hidrógeno y una gota de cloruro de cobre (II) azul verdoso (foto 1)
Se mezclan las gotas, y se dispara el cronómetro.
foto 2
foto 3
foto 5
foto 4
Parece
evidente a través de las fotografías que, el cloruro de cobre (II) en
la caja Petri de la derecha, cataliza, la descomposición del peróxido
de hidrógeno, produciéndose una apreciable cantidad de burbujas de O2,
con un máximo a los 4 minutos. En la reacción tiene lugar un cambio de
color del Cu2+, que
indica algún paso intermedio.
Si se emplea como catalizador el cloruro de hierro (III) (amarillo) (foto 6), obtenemos la sucesión de imágenes de la parte inferior.
foto 6
foto 7
foto 9
foto 8
La acción catalítica
del cloruro de hierro (III) es más intensa que la del cloruro de cobre
(II), dado que a los 4 minutos (foto 9) se produce un mayor número de
burbujas de oxígeno, para las mismas cantidades de reactivo en similares
concentraciones. En el caso del cloruro de cobre (II), la reacción es
más lenta ya que a los 11 minutos (foto 5) todavía se
mantiene el desprendimiento de oxígeno.
Cocatálisis
Sin embargo si juntamos ambos catalizadores se produce un fenómeno de cocatálisis que acelera la reacción.
En la caja Petri de la derecha se dispone la mezcla de 3 gotas de cloruro de cobre (II) y cloruro de hierro (III), junto con 3-4 gotas de peróxido de hidrógeno del 30%, mientras que en la de la izquierda, sólo contiene peróxido de hidrógeno. Al juntarse las gotas, se obtienen estas fotografías
foto 10
foto 12
foto 11
Si se observa el tiempo en función del desprendimiento de oxígeno, y se compara con las reacciones anteriores, se ve que ya los 24s hay un notable desprendimiento de oxígeno, y que la reacción llega a su máximo desprendimiento prácticamente a los 70s, mientras que si sólo la catalizaba el cloruro de hierro (III) o el cloruro de cobre (II), de forma independiente, el máximo desprendimiento ocurría a los 4 minutos.
En todas
estas catálisis la cinética de la reacción es de primer orden, o sea depende únicamente de la concentración del peróxido de
hidrógeno, estableciéndose una relación lineal, entre el logaritmo neperiano
de la concentración y el tiempo
que tarda en descomponerse.
La acción de los iones de metales de transición en la catálisis, se fundamenta en su capacidad para alojar pares de electrones en orbitales atómicos d, por lo que, en este caso favorecen la producción de oxígeno, dado que esta molécula posee un par de electrones antienlazantes, que se pueden estabilizar a través de una interacción de coordinación.
Inhibición catalítica en la descomposición
del peróxido de hidrógeno
Al igual que se puede acentuar la acción catalítica, a través de la cocatálisis, también se puede inhibir, a través de venenos o compuestos que se combinan con los catalizadores.
Se dispone
en la caja Petri de la izquierda, peróxido de hidrógeno 30% junto con
una gota de cloruro de hierro (III) 1M,
mientras que en la de la derecha, unas gotas de peróxido
de hidrógeno junto a una gota de disoluciones de
cloruro de hierro (III) y de ortofosfato de sodio. Se mezclan
y se dispara el cronómetro.
foto 13
foto 14
foto 16
foto 15
Así vemos que mientras el
cloruro de hierro (III) actúa
como catalizador, el ortofosfato de sodio lo hace como retardador,
inhibiendo la acción del cloruro de hierro (III). La reacción avanza
mucho más lentamente. Se observa que cuando en la caja Petri de la izquierda,
pasados los 3 minutos, disminuye la producción de burbujas de oxígeno,
en la de la derecha que incluye el inhibidor, aumenta.
La acción del ortofosfato, es la de combinarse con los iones Fe3+, para
formar ortofosfato de hierro (III), evitando que aquellos aceleren la descomposición del peróxido de hidrógeno.
[1]
Berzelius, toma el significado del poder catalítico
y de la catálisis, como la capacidad para Ahacer soltar@ los constituyentes
de determinadas sustancias.
[2]
Catálisis del griego κατάλυσις
(disolución), procede κατά (hacia abajo), que
se empleaba con el mismo significado ya en el hittita, miles de años
antes, y de λύω, desatar, de la raíz indoeuropea *leu,
que abarca dicho significado incluido el de dividir y partir.