La catálisis ye'l procesu pol que s'aumenta la velocidá d'una reaición química, por cuenta de la participación d'una sustancia llamada catalizador y aquelles que desactiven la catálisis son denominaes inhibidores. Una carauterística importante ye que la masa de catalizador nun se modifica mientres la reaición química, lo que lo diferencia d'un reactivu, que la so masa va menguando a lo llargo de la reaición.
Na síntesis de munchos de los productos químicos industriales más importantes esiste una catálisis, una y bones esta puede menguar el tiempu que requier. L'envelenamientu de los catalizadores, que xeneralmente ye un procesu ensin desear, tamién ye utilizáu na industria química. Por casu, nel amenorgamientu del etinu a etenu, el catalizador paladiu (Pd) ye "envelenáu" parcialmente con acetatu de plomu (II), Pb(CH3COO)2. Ensin la desactivación del catalizador, l'etenu producíu amenorgaríase darréu a etanu.Jencks, W.P. Catalysis in Chemistry and Enzymology. McGraw-Hill, New York, 1969. ISBN 0-07-032305-4.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.
Xeneralidaes La catálisis intervién en munchos procesos industriales. Asina mesmo, la mayoría de los procesos “biolóxicamente” significativos son catalizaos. La investigación en catálisis ye ún de los principales campos en ciencia aplicada y axunta munches árees de la química, especialmente en química organometálica y ciencia de materiales. La catálisis ye importante pa munchos aspeutos de les ciencies ambientales, por casu, el convertidor catalíticu de los automóviles y la dinámica del furacu d'ozonu. Les reaiciones catalítiques son les preferíes na química verde pa un medioambiente amigable por cuenta de la amenorgada cantidá de residuos que xenera en llugar de les reaiciones estequiométriques nes que se peracaben tolos reactivos y se formen más productos secundarios. El catalizador más común ye'l protón (H +). Munchos metales de transición y los complexos de los metales de transición utilizar na catálisis. Los catalizadores llamaos enzimes son importantes en Bioloxía.
El catalizador funciona apurriendo un camín de reaición alternativu al productu de reaición. La velocidá de la reaición aumenta a midida qu'esta ruta alternativa tien una menor enerxía d'activación que la ruta de reaición ensin mediar pel catalizador. La dismutación del peróxidu d'hidróxenu pa dar agua y oxíxenu ye una reaición que ta fuertemente afeutada polos catalizadores: 2 H2O2 → 2 H2O + O2 Esta reaición ta favorecida, nel sentíu de que los productos de reaición son más estables que'l material de partida, sicasí, la reaición non catalizada ye lenta. La descomposición del peróxidu d'hidróxenu ye de fechu tan lenta que les soluciones de peróxidu d'hidróxenu tán disponibles comercialmente. Tres la adición d'una pequeña cantidá de dióxidu de manganesu, el peróxidu d'hidróxenu reacciona rápido d'alcuerdu a la ecuación anterior. Esti efeutu vese fácilmente pola fervencia del oxíxenu. El dióxidu de manganesu puede ser recuperáu ensin cambeos, y volver utilizase de forma indefinida, y polo tanto nun se consume na reaición. Arriendes d'ello, el dióxidu de manganesu cataliza esta reaición.Masel, Richard I. Chemical Kinetics and Catalysis Wiley-Interscience, New York, 2001. ISBN 0-471-24197-0.
Carauterístiques La carauterística xeneral de la catálisis ye que la reaición catalítica tien un menor cambéu d'enerxía llibre de la etapa limitante hasta'l estáu de transición que la reaición non catalizada correspondiente, resultando nuna mayor velocidá de reaición a la mesma temperatura. Sicasí, l'orixe mecánicu de la catálisis ye complexu.
Los catalizadores pueden afectar favorablemente a la redolada de reaición, por casu, los catalizadores acedos pa les reaiciones de los compuestos carbonílicos formen compuestos entemedios específicos que nun se producen naturalmente, tales como los ésteres d'Osmiu na dihidroxilación d'alquenos catalizadas pol tetróxidu d'osmiu, o faer la rotura de los reactivos a formes reactives, como'l hidróxenu atómicu na hidrogenación catalítica.
Cinéticamente, les reaiciones catalítiques pórtense como les reaiciones químiques típiques, esto ye, la velocidá de reaición depende de la frecuencia de contautu de los reactivos na etapa determinante de velocidá (ver ecuación de Arrhenius). De normal, el catalizador participa nesta etapa lenta, y les velocidaes tán llindaes pola cantidá de catalizador. En catálisis heteroxénea, l'espardimientu de los reactivos a la superficie de contautu y l'espardimientu de los productos dende dicha superficie puede ser la etapa determinante de la velocidá. Eventos similares rellacionaos cola unión del sustratu y la disociación del productu aplicar na catálisis homoxénea.
Anque los catalizadores nun son consumíos pola mesma reaición, pueden resultar tornaos, desactivaos o destruyíos por procesos secundarios. Na catálisis heteroxénea, procesos secundarios típicos inclúin el coqueo, onde'l catalizador cubrir por productos secundarios poliméricos. Amás, los catalizadores heteroxéneos pueden eslleise na solución nun sistema sólidu-líquidu o evaporarse nun sistema sólidu-gas.
Principios xenerales de la catálisis Mecanismu típicu
Los catalizadores xeneralmente reaccionen con unu o más de los reactivos pa formar productos entemedios que, darréu, conducen al productu final de reaición. Nel procesu refai'l catalizador. El siguiente esquema ye típicu d'una reaición catalítica, onde C representa'l catalizador, X y Y son los reactivos, y Z ye'l productu de la reaición de X con Y: X + C → XC (1) Y + XC → XYC (2) XYC → CZ (3) CZ → C + Z (4)
Anque'l catalizador ye consumíu pola reaición 1, darréu ye producíu pola reaición 4, polo que la reaición global ye: X + Y → Z Como'l catalizador refacer nuna reaición, de cutiu basten pequeñes cantidaes del catalizador p'amontar la velocidá d'una reaición. Sicasí, na práutica los catalizadores son delles vegaes consumíos en procesos secundarios.
Como exemplu d'esti procesu, en 2008, investigadores daneses revelaron per primer vegada la secuencia de socesos cuando'l oxíxenu y l'hidróxenu combinar na superficie del dióxidu de titaniu (TiO2, o titania) pa producir agua. Con una serie d'imáxenes de microscopía d'efeutu túnel a intervalos, determinaron que les molécules sufren adsorción, disociación y espardimientu antes de reaccionar. Los estaos entemedios de reaición fueron: HO2, H2O2, depués H3O2 y el productu final de la reaición (dímeros de la molécula d'agua), dempués de lo que la molécula d'agua se desorbe de la superficie del catalizador.«Making Water Step by Step», Chemical & Engineering News, 16 de febreru de 2009, p. 10.
Catálisis y enerxética de la reaición thumb|right|292px|Diagrama xenéricu d'enerxía potencial amosando l'efeutu d'un catalizador nuna hipotética reaición química exotérmica X + Y pa producir Z. La presencia del catalizador abre un camín de reaición distinta (amosáu en colloráu) con una enerxía d'activación menor. La resultancia final y la termodinámica global son la mesma. Los catalizadores funcionen apurriendo un mecanismu (alternativu) qu'arreya un estáu de transición distinta y una menor enerxía d'activación. Poro, más choques moleculares tienen la enerxía necesaria p'algamar l'estáu de transición. Arriendes d'ello, los catalizadores dexen reaiciones qu'otra manera taríen bloquiaes o ralentizaes por una barrera cinética. El catalizador puede aumentar la velocidá de reaición o de la selectividá, o dexar que la reaición asoceda a menores temperatures. Esti efeutu puede ser ilustráu con una distribución de Boltzmann y un diagrama de perfil d'enerxía.
Los catalizadores non camuden el rendimientu d'una reaición: non tienen efeutu nel equilibriu químicu d'una reaición, por cuenta de que la velocidá, tanto de la reaición direuta como de la inversa, vense afeutaes (ver tamién termodinámica). El fechu de qu'un catalizador nun camude l'equilibriu ye una consecuencia de la segunda llei de la termodinámica. Supongamos qu'hai un catalizador que modifica l'equilibriu. La introducción del catalizador nel sistema daría llugar a la reaición pa dir de nuevu al equilibriu, produciendo enerxía. La producción d'enerxía ye un resultáu necesaria, yá que les reaiciones son bonales sí y namái sí se produz enerxía llibre de Gibbs, y si nun hai una barrera enerxética nun hai necesidá d'un catalizador. Arriendes d'ello, la eliminación del catalizador tamién resultaría nuna reaición, produciendo enerxía; esto ye, tantu la adición, como'l so procesu inversu, la eliminación, produciríen enerxía. Asina, un catalizador que pudiera camudar l'equilibriu sería un móvil perpetuu, en contradicción coles lleis de la termodinámica.Robertson, A.J.B. Catalysis of Gas Reactions by Metals. Logos Press, London, 1970.
Si un catalizador camuda l'equilibriu, entós tien de consumise a midida que avanza la reaición, y polo tanto tamién ye un reactivu. Dellos exemplos ilustrativos son la hidrólisis de los ésteres catalizada por bases, onde'l ácidu carboxílico producíu reacciona darréu col catalizador básicu, y asina l'equilibriu de la reaición mover escontra la hidrólisis.
La unidá derivada SI pa midir la actividá catalítica d'un catalizador ye'l katal, que ye igual a moles per segundu. L'actividá d'un catalizador puede ser descrita pol númberu de conversiones, o TON (del inglés turn over number), y la eficiencia catalítica pola frecuencia de conversiones, TOF (del inglés turn over frequency). L'equivalente bioquímicu ye la unidá d'actividá enzimática. Pa más información sobre la eficiencia de la catálisis enzimática, ver l'artículu de Catálisis enzimática.
El catalizador estabiliza l'estáu de transición más que de los qu'estabiliza'l material inicial. Mengua la barrera cinética al menguar la estrema d'enerxía ente'l material inicial y l'estáu de transición.
Materiales catalíticos típicos La naturaleza química de los catalizadores ye tan diversa como la catálisis mesma, anque pueden faese delles xeneralizaciones. Los ácidos próticos son probablemente los catalizadores más llargamente usaos, especialmente pa munches reaiciones qu'arreyen agua, incluyendo la hidrólisis y la so inversa. Los sólidos multifuncionales de cutiu suelen ser catalíticamente activos, por casu les zeolites, l'alúmina y ciertes formes de carbonu grafítico. Los metales de transición son utilizaos de cutiu pa catalizar reaiciones redox (oxixenación, hidrogenación). Munchos procesos catalíticos, especialmente los qu'arreyen hidróxenu, riquen metales del grupu del platín.
Dalgunos de los llamaos catalizadores son, en realidá, precatalizadores. Los precatalizadores convertir nel catalizador nel intre de la reaición. Por casu, el catalizador de Wilkinson RhCl(PPh3)3 pierde un amestando trifenilfosfina antes d'entrar nel verdaderu ciclu catalíticu. Los precatalizadores son más fáciles d'almacenar, pero son fácilmente activaos in situ. Por cuenta de esta etapa de preactivación, munches reaiciones catalítiques arreyen un periodu d'inducción.
Les especies químiques qu'ameyoren l'actividá catalítica son denominaes co-catalizadores o promotores, na catálisis cooperativa.
Tipos de catálisis Los catalizadores pueden ser homoxéneos o heteroxéneos, dependiendo de si esiste un catalizador na mesma fase que'l sustratu. Los biocatalizadores son vistos de cutiu como un grupu separáu.
Catalizadores heteroxéneos