3.8: Día 25- Catálisis Homogénea y Heterogénea

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John Moore, Jia Zhou, and Etienne Garand
University of Wisconsin

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Día 25: Catálisis Homogénea y Heterogénea

Catálisis Homogénea D25.1

Las reacciones que son facilitadas por los catalizadores se pueden dividir en dos clases principales: catálisis homogénea y catálisis heterogénea. Un catalizador homogéneo está presente en la misma fase que los reactivos. Las reacciones en fase gaseosa y las reacciones en solución son reacciones homogéneas y ya hemos discutido varios ejemplos en los que el catalizador y los reactivos están todos en la misma fase. Aquí hay uno más.

En la Sección D13.5 describimos las reacciones de condensación y las reacciones de hidrólisis que ocurren en soluciones acuosas. (La hidrólisis es el reverso de una condensación que produce agua como molécula pequeña). También mencionamos que la condensación y la hidrólisis pueden ser catalizadas por ácidos fuertes (es decir, por iones H ⁺). Esta es una reacción catalítica homogénea porque los reactivos, productos y catalizadores están todos en solución acuosa.

Un ejemplo de hidrólisis de éster es la descomposición catalizada por ácido del acetato de metilo para formar ácido acético y metanol. El mecanismo de reacción se muestra en la Figura 1.

**Figura 1.** Mecanismo de hidrólisis catalizada por ácido del acetato de metilo para formar ácido acético y metanol.

Actividad 1: Análisis de un Mecanismo de Reacción

Consulta\(\PageIndex{1}\)

Catalizadores heterogéneos D25.2

Un catalizador heterogéneo está presente en una fase diferente de los reactivos. Tales catalizadores son usualmente sólidos, y a menudo funcionan proporcionando una superficie activa sobre la cual pueden ocurrir una o más etapas en la reacción.

Una reacción catalítica heterogénea tiene al menos cuatro etapas en su mecanismo de reacción:

Adsorción del (de los) reactivo (s) sobre la superficie del catalizador
Activación del (de los) reactivo (s) adsorbido (s)
Reacción del reactivo o reactivos adsorbidos
Difusión del (de los) producto (s) de la superficie a la fase gaseosa o líquida (desorción)

Cualquiera de estos pasos puede ser lento y, por lo tanto, puede servir como el paso de determinación de la velocidad. Pero la velocidad general de la reacción sigue siendo más rápida de lo que sería sin el catalizador. La Figura 1 ilustra la reacción de alquenos con hidrógeno sobre un catalizador de níquel.

En esta figura se muestran cuatro diagramas etiquetados de la a a la d. En cada una, se muestra en perspectiva una matriz cuadrada de esferas verdes que forman una superficie de níquel para proporcionar una apariencia tridimensional. En a, la etiqueta “N i superficie” se coloca arriba con un segmento de línea que se extiende a las esferas verdes. En la parte inferior izquierda y superior derecha aparecen pares de esferas blancas unidas más duras, así como esferas blancas en la superficie verde. Las flechas negras se dibujan desde cada una de las esferas blancas sobre la superficie hasta la esfera blanca en la superficie verde. En b, las esferas blancas siguen presentes en la superficie verde. Por encima de la superficie hay una estructura gris marcada con eteno con dos átomos de C y cuatro átomos de H. La etiqueta “Eteno” en la parte superior del diagrama está conectada a la estructura gris con un segmento de línea. Las flechas que indican movimiento apuntan hacia abajo desde esta estructura a una molécula de eteno con dos esferas negras centrales con un enlace sencillo indicado por una varilla negra horizontal entre ellas. Arriba y abajo a la izquierda y a la derecha, un total de cuatro esferas blancas están conectadas a las esferas negras con varillas blancas. Un segmento de línea se extiende desde esta estructura hasta la etiqueta, “Eteno adsorbido en la superficie; enlace pi roto”. En c, el diagrama es muy similar a b excepto que la estructura gris y las etiquetas se han ido y una de las esferas blancas cercanas a la estructura en blanco y negro en cada par en la superficie verde está gris. Las flechas apuntan desde cada esfera blanca gris hacia cada una de las dos esferas negras. Debajo hay una etiqueta que dice: “Los átomos de H migran a C H 2". En d, solo queda una sola esfera blanca de cada par en la superficie verde. Una flecha curva apunta desde el centro de la superficie verde a un modelo anterior con dos esferas centrales de átomos de carbono negras con una sola varilla negra que indica un enlace sencillo entre ellas. Cada una de las esferas negras tiene tres pequeñas esferas blancas unidas como lo indican varillas blancas entre las esferas negras y las pequeñas esferas blancas. Los cuatro enlaces alrededor de cada esfera negra se distribuyen uniformemente alrededor de las esferas negras. — **Figura 2**. Hay cuatro etapas en la hidrogenación catalítica de eteno sobre una superficie de níquel, C ₂ H ₄ (g) + H ₂ (g) ⟶ C ₂ H ₆ (g). (a) El hidrógeno se adsorbe en la superficie, rompiendo los enlaces H—H y formando enlaces Ni—H. (b) El eteno se adsorbe en la superficie, rompiendo el enlace π y formando enlaces Ni—C. (c) Los átomos de H se difunden a través de la superficie y forman nuevos enlaces C—H cuando alcanzan las moléculas de eteno. (d) Los átomos de carbono saturados en las moléculas C ₂ H ₆ ya no pueden unirse a la superficie por lo que las moléculas de etano escapan de la superficie.

La reacción no catalizada de C ₂ H ₄ (g) + H ₂ (g) ⟶ C ₂ H ₆ (g) requeriría un estado de transición donde el enlace C=C π y el enlace H-H σ se están rompiendo mientras se forman los enlaces C-H σ. Tal estado de transición es tan alto en energía que sin un catalizador, H ₂ se considera como no reactivo hacia los alquenos en la mayoría de las condiciones.

El níquel es un catalizador de uso frecuente en la hidrogenación de grasas y aceites poliinsaturados para producir grasas y aceites saturados. Otros procesos industriales significativos que implican el uso de catalizadores heterogéneos incluyen la preparación de ácido sulfúrico, la preparación de amoníaco, la oxidación del amoníaco a ácido nítrico y la síntesis de metanol. Los catalizadores heterogéneos también se utilizan en los convertidores catalíticos que se encuentran en la mayoría de los automóviles a gasolina.

Ejercicio 1: Diagrama de Catálisis y Energía de Reacción

Ejercicio 2: Mecanismos catalíticos

Consulta\(\PageIndex{4}\)

Consulta\(\PageIndex{5}\)

Pregunta Podia

El platino metálico es un catalizador heterogéneo para esta reacción:

2 NO (g) → N ₂ (g) + O ₂ (g)

La velocidad de reacción varía con la concentración de NO como se muestra en la gráfica.

Explique cada una de estas observaciones. Incluya en su explicación una descripción a nivel atómico de las moléculas de NO, la superficie de platino y cómo interactúan las dos.

La gráfica es lineal con pendiente positiva a bajas concentraciones de NO.
La gráfica es horizontal a altas concentraciones de NO.

Sugiera un experimento que pudiera hacerse para apoyar o contradecir su explicación de la gráfica horizontal. Describa la hipótesis que propone para lo que sucederá en el experimento si su explicación es correcta; también describa qué resultados experimentales contradicen su hipótesis.

Consulta\(\PageIndex{6}\)

Dos días antes de la próxima sesión de toda la clase, esta pregunta de Podia se pondrá en vivo en Podia, donde podrás enviar tu respuesta.

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