INTRODUCCIÓN La catálisis se ha 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. 1 Objetivo general Saber interpretar como consiste el método de catálisis. para así explicarlos a nuestros compañeros los diferentes métodos que tiene y orientarlos para cuándo nos toque poner en práctica saber qué hacer en ese momento de nuestro día de labor como operario Objetivo especifico Interpretar el método de catálisis Explicar en qué consiste Como funciona Sus diferentes métodos 2 . el origen mecánico de la catálisis es complejo. Pb (CH3COO)2. lo que lo diferencia de un reactivo. regenerándose y que puede ser recuperado al final de la reacción (el catalizador se fragmenta en pequeñas partículas para acelerar el proceso). o hacer la ruptura de los reactivos a formas reactivas. en la reducción del etino a eteno. En catálisis heterogénea. las reacciones catalíticas se comportan como las reacciones químicas típicas. el catalizador participa en esta etapa lenta. por ejemplo. la velocidad de reacción depende de la frecuencia de contacto de los reactivos en la etapa determinante de velocidad (ver ecuación de Arrhenius). Eventos similares relacionados con la unión del sustrato y la disociación del producto se aplican en la catálisis homogénea. el catalizador paladio (Pd) es "envenenado" parcialmente con acetato de plomo (II). es decir. El envenenamiento de los catalizadores. procesos secundarios típicos incluyen el coqueo. reaccionando. los catalizadores heterogéneos pueden disolverse en la solución en un sistema sólido-líquido o evaporarse en un sistema sólido-gas. En la síntesis de muchos de los productos químicos industriales más importantes hay una catálisis. Además. Si retarda la reacción se llama inhibidor. Cinéticamente. tales como los ésteres de Osmio en la dihidroxilación de alquenos catalizadas por el tetróxido de osmio. debido a la participación de una sustancia llamada catalizador y las que desactivan la catálisis son denominados inhibidores. Aunque los catalizadores no son consumidos por la propia reacción. también es utilizado en la industria química.CATÁLISIS La catálisis es el proceso por el cual se aumenta la velocidad de una reacción química. Por ejemplo. El catalizador es una sustancia que afecta la velocidad de una reacción. Sin la desactivación del catalizador. pueden resultar inhibidos. resultando en una mayor velocidad de reacción a la misma temperatura. 3 . Sin embargo. como el hidrógeno atómico en la hidrogenación catalítica. desactivados o destruidos por procesos secundarios. Normalmente. 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. que generalmente es un proceso no deseado. En la catálisis heterogénea. el eteno producido se reduciría posteriormente a etano. donde el catalizador se cubre por productos secundarios poliméricos. los catalizadores ácidos para las reacciones de los compuestos carbonílicos forman compuestos intermedios específicos que no se producen naturalmente. y las velocidades están limitadas por la cantidad de catalizador. Un concepto importante es que el catalizador no se modifica durante la reacción química. LA 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. Los catalizadores pueden afectar favorablemente al entorno de reacción. Con base en esta inconveniencia se han intentado diseñar "catalizadores homogéneos soportados". Uno de los inconvenientes de la catálisis homogénea es la dificultad de separar el catalizador del medio reaccionante. 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 haría el caso en la fase gaseosa. Catalizadores heterogéneos Los catalizadores heterogéneos son aquellos que actúan en una fase diferente que los reactivos. en el proceso de Haber. Eley -Rideal. La mayoría de los catalizadores heterogéneos son sólidos que actúan sobre sustratos en una mezcla de reacción líquida o gaseosa. Catalizadores homogéneos Normalmente los catalizadores homogéneos están disueltos en un disolvente con los sustratos. Más a menudo. y Marsvan Krevelen). por ejemplo. alúmina o carbón. Sin embargo en muchos casos esto no es posible. Un ejemplo de catálisis homogénea implica la influencia de H+ en la esterificación de los ésteres. los enlaces dentro de las moléculas reaccionantes se resienten. Para los químicos inorgánicos. Los gases reactantes se adsorben en los "sitios activos" de las partículas de hierro. el hierro finamente dividido sirve como un catalizador para la síntesis de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. 4 . ya que la entidad catalítica activa no es el complejo inicialmente introducido a la reacción. que significa que el catalizador se encuentra disperso en un segundo material que mejora la eficacia o minimiza su costo. Por ejemplo. el soporte y el catalizador interactúan. en parte debido a su proximidad. en los cuales se desea inmovilizar el complejo metálico activo sobre un soporte como sílice. Cuanto menor sea el tamaño de partícula del catalizador. afectando a la reacción catalítica. por lo que la velocidad de reacción aumenta. dependiendo de cómo se lleva a cabo la adsorción (Langmuir-Hinshelwood. Una vez adsorbidos. Es importante resaltar. acetato de metilo a partir del ácido acético y el metanol. sino una especie derivada de él. Los catalizadores heterogéneos suelen estar "soportados". El área superficial total del sólido tiene un efecto importante en la velocidad de reacción. que en este tipo de catálisis predomina la ausencia de efectos de envenenamiento tan frecuentes. dependiendo de si existe un catalizador en la misma fase que el sustrato. mayor es el área superficial para una masa dada de partículas. Los biocatalizadores son vistos a menudo como un grupo separado. la catálisis homogénea es a menudo sinónimo de catalizadores organometálicos. y se forman nuevos enlaces entre los fragmentos generados.TIPOS DE CATÁLISIS Los catalizadores pueden ser homogéneos o heterogéneos. Se conocen diversos mecanismos para las reacciones en superficies. A veces el soporte es más que una superficie sobre la que se transmite el catalizador para aumentar el área superficial. las moléculas orgánicas que no contengan metales también pueden poseer propiedades catalíticas. Las reacciones enzimáticas operan a través de los principios de la catálisis orgánica. Normalmente. el substrato se transforma en producto. Dada la gran variedad de enzimas descubiertas actualmente (unas 3300). Organocatálisis Mientras que los metales de transición a veces atraen más la atención en el estudio de la catálisis. CATÁLISIS ENZIMÁTICA Hoy en día no se dispone de una teoría sencilla que explique la actividad y especificidad de la catálisis enzimática. 2. ayudando a reducir los costos. aumenta la velocidad de reducción del oxígeno a agua (o hidróxido o peróxido de hidrógeno). pero estos catalizadores suelen estar disponibles comercialmente en grandes cantidades. La velocidad de una reacción catalizada por una enzima es mucho mayor que la velocidad de la reacción catalizada por productos no biológicos. que contienen varios metales los catalizadores se utilizan para mejorar las velocidades de las semireacciones que conforman la pila de combustible. se pueden llevar acabo un gran número de reacciones químicas empleando enzimas específicas como catalizadores.OTRO TIPOS DE CATÁLISIS Electrocatalizadores En el contexto de la electroquímica. Sólo es necesaria la presencia de una pequeña cantidad de enzima para acelerar suficientemente la reacción. 5 . específicamente en la ingeniería de las pilas de combustible. los órganos catalizadores fueron considerados una "nueva generación" y eran competidores de los tradicionales catalizadores que contenían metales. 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. Existen 4 características diferenciadoras de las reacciones enzimáticas con respecto a las reacciones catalizadas: 1. La enzima es altamente específica y cataliza solamente una o pocas reacciones químicas. A principios de los 2000. Un tipo común de electrocatalizador de pila de combustible se basa en nano partículas de platino que están soportadas en partículas un poco mayores de carbón. Los catalizadores sólidos no suelen ser específicos y pueden intervenir en reacciones diferentes que tengan el mismo grupo funcional. Cuando este electrocatalizador de platino está en contacto con uno de los electrodos en una pila de combustible. momento en el cual se libera la enzima. 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. Mientras está enlazado a la enzima. 3. Ejemplo típico son el reactor de grasa de platino.)de las reacciones enzimáticas son suaves. Las condiciones de reacción (temperatura presión. que se emplea en reformación de petróleo y el pentóxido de vanadio sobre sílica. A temperaturas altas los catalizadores ordinarios suelen ir aumentando su actividad. pero impiden la entrada de las de gran tamaño. A bajas temperaturas la actividad de las enzimas es más elevada que la de los catalizadores sólidos. hasta un grado que en esencia permite que sólo las moléculas deseadas reaccionen. C. así como en los convertidores catalíticos que se usan para oxidar contaminantes del escape de automóviles. con frecuencia. 4. mientras que las de las enzimas disminuyen pudiendo perderla totalmente a partir de cierta temperatura. Las enzimas pierden fácilmente su actividad catalítica al cambiar su conformación estructural (desnaturalización) en el transcurso de algunas reacciones. Algunos ejemplo son el convertidos catalítico automotriz de lecho empacado. que se utiliza para oxidar dióxido de azufre en manufactura de ácido sulfúrico. el material activo es un metal puro o una aleación metálica. y se derivan de sustancias naturales. 6 . Las enzimas son moléculas sensibles e inestables que requieren cuidado en su uso. 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. Monolíticos: Estos pueden ser porosos o no porosos. etc. TIPOS DE CATALIZADORES Los catalizadores pueden ser: Porosos. C. los poros controlan el tiempo de residencia de diversas moléculas cerca de la superficie catalíticamente activa. o bien son totalmente sintéticos como es el caso de algunos aluminosilicatos cristalinos. que se emplea en la oxidación del amoniaco durante la manufactura de ácido nítrico. ejemplos: el platino sobre alúmina (utilizado para la reformación de naftas de petróleo para tener octanajes altos). como ciertas arcillas y zeolitas. el catalizador de platino soportado en alúmina. el níquel Raney (empleado para la hidrogenación de aceites vegetales y animales). Monolíticos. Tamices moleculares: En estos materiales los poros son tan pequeños que solo admiten moléculas pequeñas. el hierro (utilizado en síntesis de amoniaco). C. Poroso: Es el catalizador que contiene un área considerable debido a sus poros. Tamices moleculares. se emplean en procesos donde son importantes la caída de presión y la eliminación de calor. Soportados: Es cuando el catalizador consta de diminutas partículas sobre un material activo dispersado sobre una sustancia menos activa llamada soporte. pueden emplearse cada vez más en reacciones específicas de aplicación industrial. Soportados y No soportados. C. Estos tamices constituyen la base de catalizadores altamente selectivos. pH. 7 . catalíticas. En muchos catalizadores el área esta dada por la estructura interna porosa (es decir el sólido contiene muchos poros finos. aunque se utilice gasolina sin plomo. un cambio gradual en la estructura de la superficie del cristal. Por ejemplo. En otros procesos el envenenamiento puede ser muy lento. y con la superficie. Envenenamiento que consiste en formación irreversible de depósitos sobre la superficie del sitio activo. actividades iniciales muy elevadas se sacrifican en ocasiones para conseguir una vida útil más prolongada y/o mayores selectividades. el hierro promovido para síntesis de amoniaco y el catalizador para deshidrogenación de sílica-alúmina. como muestra la figura. PROPIEDADES DE LOS CATALIZADORES Debido a que la reacción catalítica ocurre en la interface entre el fluido y el sólido. 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.C. los cuales gradualmente acumulan cantidades diminutas de plomo. 3. es esencial que el área interfacial sea grande para lograr una velocidad de reacción significativa. como en los catalizadores de escape automotriz. sino que experimentan desactivación. físicas y mecánicas de las partículas. el cual puede ser. EL área que tienen algunos materiales porosos es sorprendentemente grande. El fenómeno de envejecimiento. El diseño de catalizadores consiste en optimizar las propiedades químicas. que se usa en la manufactura de butadieno. Además. cuya superficie constituye el área necesaria para una velocidad de reacción alta). la resistencia mecánica del catalizador disminuye a niveles no aceptables en operaciones industriales cuando la porosidad es superior al 50%. es decir. la actividad aumenta con la porosidad. Por otro lado. la actividad catalítica disminuye con el transcurso del tiempo. La mayoría de los catalizadores no mantienen su actividad al mismo nivel por periodos indefinidos. al aumentar el área disponible para la reacción.6cm3/g y un radio promedio de poro de 4nm. El área superficial correspondiente es de 300m2/g. debido a los residuos de plomo en los tanques de almacenamiento de gasolina en las estaciones de servicio. que se emplea en la desintegración catalítica. Un catalizador funciona satisfactoriamente si su estructura y composición están optimizadas. La desactivación del catalizador en ocasiones se debe a: 1. 2. químicas y catalíticas están mutuamente relacionadas. el área superficial disminuye al aumentar la porosidad. Sin embargo. Un catalizador típico de sílica-alúmina. donde la coquificación del catalizador requiere que éste sea retirado en pocos minutos de la zona de reacción. ya que mejora el acceso de los reactivos. Contaminación o coquificación. tiene un volumen de poro de 0. que es la formación de depósitos de carbono o de otro material sobre toda la superficie. como en el proceso de desintegración catalítica de naftas de petróleo. Hay que tener en cuenta que sus propiedades físicas. La desactivación puede ser muy rápida. por ejemplo. se hará una distinción entre las preparaciones en las cuales todo el material constituye el catalizador. secan y calcinan en un horno para reducir los carbonatos. Esto reviste importancia cuando se trata de sustancias costosas como platino. formación de un gel o una mezcla simple de los componentes. Estas propiedades quedan determinadas en buena parte por los procedimientos de preparación. tiempo de secado y calcinación. Esto explica la dificultad para reproducir catalizadores e indica la necesidad de seguir cuidadosamente las recetas que ya hayan sido probadas. y aquellas en las que el ingrediente activo está dispersado en un material de soporte o portador que tiene una gran área superficial. Poner en contacto el portador con la solución impregnante. 8 . Algunas variables tales como concentración de las soluciones. níquel y plata. Eliminar el exceso de solución. consiste en adicionar un agente precipitante a soluciones acuosas de los componentes deseados. Los carbonatos se muelen en húmedo en un molino de bolas. Uno de los métodos para obtener un material sólido en forma porosa es la precipitación. se extruyen. ya que sus precipitados tienen naturaleza coloidal. Las propiedades físicas. Un catalizador mixto de óxido de magnesio y de calcio puede prepararse en la forma descrita. pueden tener influencia en el área de superficie y en la estructura de los poros del producto final. 2. tamaño de poros. han sido reportadas por Ciapetta y Plank. Berkman y Cols han tratado el tema de los portadores con bastante detalle. Finalmente. Algunas veces se puede obtener un material poroso mezclando los componentes con agua. tamaño de partícula y estructura de la misma. tales como área de superficie. secado y. los pasos subsecuentes en el proceso son: lavado. Las técnicas detalladas para producir catalizadores con formación de geles o por precipitación ordinaria. Los catalizadores que contienen sílice y alúmina son especialmente apropiados para la preparación de geles. algunas veces. 3. pues la composición química no es en sí misma suficiente para determinar la actividad. Los pasos en el procedimiento son esencialmente los mismos que aquellos utilizados en el procedimiento de precipitación. El primer tipo de catalizador se prepara por lo general por precipitación. calcinación y activación. Un caso especial de los métodos de precipitación es la formación de un precipitado coloidal que se gelifique. Eliminar el aire del portador por medio de vacío. Los pasos en la preparación de un catalizador impregnado en un portador pueden incluir lo siguiente: 1.PREPARACIÓN DE LOS CATALIZADORES Los métodos y técnicas experimentales para la preparación de catalizadores son particularmente importantes. también tienen influencia sobre la actividad. los materiales así obtenidos deberán molerse y cribarse para obtener el tamaño apropiado de la partícula. temperatura. moliéndolos al tamaño deseado del grano y luego secándolos y calcinándolos. Los portadores catalíticos proporcionan un medio para obtener una gran área superficial con una pequeña cantidad de material activo. Con frecuencia. Para empezar. En general. De particular importancia es el paso del lavado que elimina todas las trazas de impurezas que pueden actuar como venenos. Secado. La naturaleza del portador puede afectar a la actividad y a la selectividad del catalizador. Sin embargo. en las operaciones de hidrogenación. envenenando selectivamente sólo a ciertos tipos de sitios activos. un veneno que cubre la superficie al azar tienden a reducir el número de grandes planchas no contaminada. puede no ser útil agregar cantidades considerables al portador. el catalizador es paladio (Pd). pero dejan proporcionalmente más sitios pequeños libres. IMPORTANCIA DE LA CATÁLISIS Se estima que el 90% de todos los productos químicos producidos comercialmente involucran catalizadores en alguna etapa del proceso de su fabricación. 9 . un cambio de sílice a alúmina como portador. Este efecto probablemente se debe a que el portador puede tener influencia sobre la estructura de los Átomos del agente catalítico dispersado. Otro mecanismo es la modificación de la geometría de la superficie. También son posibles otros muchos mecanismos. grandes planchas de superficie metálica funcionan como lugares de catálisis hidrogeno lítica mientras que los sitios que catalizan la hidrogenación de los insaturados son menores. Este problema está relacionado con la cantidad óptima de catalizador que debe depositarse en un portador.000 millones de dólares en productos de todo el mundo. VENENOS Y PROMOTORES Las sustancias que reducen la acción de los catalizadores son llamadas inhibidores catalíticos si son reversibles. Por ejemplo. El inhibidor puede modificar la selectividad además de la velocidad.4. hasta etano. Calcinación y activación. INHIBIDORES. Por ejemplo. cualquier incremento en la cantidad de catalizador debe aumentar la velocidad. La catálisis es tan penetrante que las subáreas no son fácilmente clasificables. Algunas áreas de particular concentración se estudian más adelante. así se cambia la hidrogenación frente a la hidrogeno lisis selectiva. Por ejemplo. Los promotores son sustancias que aumentan la actividad catalítica. parcialmente "envenenado" con acetato de plomo (II) (Pb (CH3COO)2). los procesos catalíticos generaron cerca de 900. Así. puede hacer variar la estructura electrónica de los átomos de platino depositados. el etileno producido se reducirá aún más. en la reducción del etino a eteno. En 2005. Sin la desactivación del catalizador. Cuando sólo se añade una pequeña fracción de una capa mono-molecular. en particular cuando no son catalizadores en sí mismos. 5. El inhibidor puede producir este efecto por ejemplo. y venenos catalíticos si son irreversibles. Los pres catalizadores se convierten en el catalizador en el transcurso de la reacción. Por ejemplo. la alúmina y ciertas formas de carbono grafítico. Un ejemplo notable es el papel catalítico de los radicales libres del en la destrucción del ozono. pero son fácilmente activados in situ. Los sólidos multifuncionales a menudo suelen ser catalíticamente activos. pero la catálisis también juega un papel directo en el medio ambiente. Algunos de los llamados catalizadores son. hidrogenación). muchas reacciones catalíticas involucran un período de inducción. incluyendo la hidrólisis y su inversa. el catalizador de Wilkinson RhCl (PPh3)3 pierde un ligando trifenilfosfina antes de entrar en el verdadero ciclo catalítico. especialmente para muchas reacciones que involucran agua. pre catalizadores. aunque pueden hacerse algunas generalizaciones. Muchos procesos catalíticos. Las especies químicas que mejoran la actividad catalítica son denominadas cocatalizadores o promotores. por ejemplo las zeolitas. especialmente los que involucran hidrógeno.MATERIALES CATALÍTICOS TÍPICOS La naturaleza química de los catalizadores es tan diversa como la catálisis misma. requieren metales del grupo del platino. El pre catalizadores es más fácil de almacenar. en realidad. Los ácidos próticos son probablemente los catalizadores más ampliamente usados. Debido a esta etapa de pre activación. Los metales de transición son utilizados a menudo para catalizar reacciones redox (oxigenación. en la catálisis cooperativa. EN EL MEDIO AMBIENTE La catálisis tiene un impacto en el medio ambiente mediante el aumento de la eficiencia de los procesos industriales. Estos radicales se forman por la acción de la radiación ultravioleta sobre los clorofluorocarbonos (CFCs) Cl· + O3 → ClO· + O2 ClO· + O· → Cl· + O2 10 . fibras. 11 . alimentos. y el objetivo final es encontrar el equilibrio entre ellos para satisfacer las condiciones idóneas. También la calidad del aire que respiramos puede modificarse mediante catálisis. en donde importaciones y exportaciones producen grandes beneficios económicos. económicamente es muy importante. la catálisis es un mundo muy complejo. Existen muchos factores que influencian en la reacción. se trata de un campo prometedor. pues es una rama muy importante de la industria química. es un fenómeno muy importante en nuestra vida diaria.CONCLUSIÓN Está claro. su uso permite producir muchos de los materiales que nos rodean: plásticos. además se está utilizando para mejoramiento del medio ambiente. Editorial: CECSA.php?title=Archivo:Hydrogenation_on_catalyst.BIBLIOGRAFÍA Archivo: Hydrogenation on catalyst.1 . Departamento de Ingeniería Química. Elementos de ingeniería de las reacciones químicas. 656-657.413-415. 12 .google. Universidad Nacional de Colombia.org/w/index. http://ocw..png Fuente: http://es.mx/books?id=3a3xkR9JdbgC&printsec=frontcover#v=one page&q&f=false CHANG Raymond. págs. 645. J. 110-112. 661-669 SMITH. 646.es/ciencias-experimentales/fundamentos-de-cineticaquimicaaplicada/transparencias-de-los-temas/transparencias_tema_06 FOGLER Scott. 3-7 http://books. Introducción a la catálisis heterogénea.com. Capítulo 10. Sexta impresión. Ingeniería de la cinética química.ehu.wikipedia.png Licencia: Creative Commons Attribution Contribuyentes:Michael Schmid CABALLERO Suarez Luis M. 4ta Edición. 648-650. págs. Cap. págs. Editorial: Pearson. Capítulo 8. M. OPERACIONES DE PROCESOS PETROQUÍMICAS Tercer semestre INTEGRANTES: FELIX JIMENEZ RICO JUAN MANUEL RICO BRAY ZANCHES JHON BLANCO CATÁLISIS 13 . DOCENTEN: TANIA CARTAGENA DE INDIAS 04/05/13 14 .