Química escolar — Años 1 a 12 · Grades 1–12

42Catálisis

Un frasco de agua oxigenada pasa meses en el armario del cuarto de baño sin alterarse. Vertida sobre una rodilla raspada, hace espuma al instante: algo en la sangre la descompone en segundos en agua y oxígeno. Ese algo no se gasta y no aparece en la ecuación de la reacción. Es un catalizador. Los catalizadores hacen posible la mayor parte de la industria química, limpian los gases de escape de los coches y dirigen todas las reacciones de la vida.

Lo que ya sabes

La velocidad de una reacción y los factores cinéticos que la modifican (Capítulo 41). Un mecanismo es una serie de etapas elementales, a través de intermedios (Capítulo 40).

42.1 Qué es un catalizador

Definición 42.1 (Catalizador, catálisis)

Un catalizador es una especie que hace más rápida una reacción sin consumirse: interviene en el mecanismo, pero se recupera intacto al final, y no aparece en la ecuación global. La aceleración de una reacción por un catalizador es la catálisis.

Proposición 42.2 (Un catalizador cambia el camino, no el destino)

Un catalizador abre un mecanismo distinto, cuyas barreras de energía son más bajas que la de la reacción sin catalizar, de modo que una mayor parte de los encuentros entre partículas tiene éxito. No cambia los productos formados ni el estado final alcanzado; solo lo alcanza antes.

Demostración. Se admite: el perfil se estudia en el volumen del primer año. Que el estado final no cambie se deduce de que el catalizador se recupera: la reacción global, con sus reactivos y sus productos, es la misma. ∎

Izquierda: la energía a lo largo de la reacción; el camino catalizado pasa por un intermedio y dos barreras más bajas. Derecha: oxígeno desprendido por una disolución de peróxido de hidrógeno; el catalizador acelera la reacción, pero el volumen final es el mismo. (Curvas de un modelo.)

42.2 Catálisis homogénea

Definición 42.3 (Catálisis homogénea y heterogénea)

La catálisis es una catálisis homogénea cuando el catalizador está en la misma fase que los reactivos (por ejemplo, disuelto con ellos), y una catálisis heterogénea cuando está en otra fase, normalmente un sólido a cuya superficie llegan los reactivos desde un gas o un líquido.

Ejemplo 42.4 (Los iones yoduro y el peróxido de hidrógeno)

El peróxido de hidrógeno se descompone muy despacio por sí solo: $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ . Con un poco de yoduro de potasio disuelto, hace espuma al instante. El ion yoduro abre un camino en dos etapas:

\ce{H2O2 + I- -> H2O + IO-}, \qquad \ce{H2O2 + IO- -> H2O + O2 + I-} .

Sumadas, las dos etapas devuelven $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ : el ion yoduro, consumido en la primera etapa y recuperado en la segunda, es el catalizador; el ion $\ce{IO-}$ es un intermedio.

Ejemplo 42.5 (Los iones hierro(III))

Los iones hierro(III) también catalizan la descomposición, a través del par $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ (Capítulo 35): primero oxidan el peróxido de hidrógeno, $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ , y después los iones hierro(II) formados vuelven a oxidarse con más peróxido de hidrógeno, $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . El color naranja pálido de la disolución vira a verdoso mientras se desprende el gas, y vuelve cuando se agota el peróxido de hidrógeno: señal de que el catalizador interviene y se regenera.

42.3 Catálisis heterogénea

Muchos catalizadores industriales son sólidos: metales como el platino, el paladio, el níquel o el hierro, u óxidos. La reacción tiene lugar en su superficie, en tres fases: las moléculas de reactivo quedan retenidas en la superficie (adsorbidas), donde sus enlaces se debilitan; reaccionan allí; los productos abandonan la superficie, que queda libre para nuevas moléculas. Por eso un catalizador se fabrica con la mayor superficie posible: polvo fino, o una capa delgada sobre un soporte poroso.

Adición de hidrógeno al eteno sobre una superficie metálica: adsorción, reacción, desorción. El metal se recupera intacto.

Ejemplo 42.6 (El convertidor catalítico)

Los gases de escape de un motor de gasolina contienen monóxido de carbono y monóxido de nitrógeno, ambos tóxicos, y combustible sin quemar. En el convertidor catalítico, un panal cerámico recubierto de platino y rodio, reaccionan sobre la superficie del metal:

\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2} ,

y los hidrocarburos se queman dando dióxido de carbono y agua. Los gases atraviesan el convertidor en una fracción de segundo, demasiado deprisa para que ocurra ninguna reacción sin catalizador.

Un convertidor catalítico cortado longitudinalmente: miles de canales finos ofrecen a los gases de escape una superficie enorme recubierta de metal.

Un convertidor catalítico abierto: el núcleo en panal.

Historia — Haber, Bosch y el amoníaco

A principios del siglo XX, el químico Fritz Haber descubrió cómo combinar el nitrógeno del aire con hidrógeno, $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$ , sobre un catalizador a base de hierro, y el ingeniero Carl Bosch lo convirtió en un proceso industrial. Hoy sigue funcionando a entre 400 y $500\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ y entre 150 y $250\,\mathrm{atm}$ . En 2024, el mundo produjo amoníaco con unos 150 millones de toneladas de nitrógeno, la mayor parte para fertilizantes: una gran parte del nitrógeno de los alimentos que comemos ha pasado por un catalizador así.

42.4 Enzimas

Definición 42.7 (Enzima)

Una enzima es una proteína fabricada por un ser vivo que cataliza una reacción de su química. Las enzimas son muy eficaces y muy específicas: cada una solo encaja con unas pocas moléculas, y funcionan mejor en un intervalo estrecho de temperatura y de acidez.

Ejemplo 42.8 (La catalasa)

El peróxido de hidrógeno se forma en las células como subproducto y les resulta dañino. La enzima catalasa, presente en la sangre, el hígado y muchos tejidos vegetales, lo descompone en agua y oxígeno a una velocidad enorme: es la espuma de una rodilla raspada, o la de una rodaja de patata cruda. La patata cocida no hace espuma: el calor ha destruido la forma de la enzima.

Agua oxigenada sobre una rodaja de patata cruda: la catalasa en acción.

42.5 Selectividad

Definición 42.9 (Catalizador selectivo)

Cuando los mismos reactivos pueden dar varias reacciones, un catalizador selectivo acelera una de ellas mucho más que las otras, y así decide qué productos se forman.

Ejemplo 42.10 (Dos destinos del etanol)

El vapor de etanol caliente que pasa sobre alúmina pierde agua y da eteno, $\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ (una eliminación); al pasar sobre cobre caliente, pierde hidrógeno y da etanal, $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . El mismo reactivo, dos catalizadores, dos productos.

Observación 42.11 (La industria y la vida funcionan con catalizadores)

La mayoría de los productos de la industria química, desde los combustibles hasta los plásticos y los fertilizantes, se fabrican con catalizadores; encontrar un catalizador más activo o más selectivo ahorra energía y residuos. Cada reacción de una célula viva está catalizada por una enzima.

Seguridad

El peróxido de hidrógeno concentrado es un oxidante fuerte que puede avivar un incendio, quema la piel y los ojos y es nocivo si se ingiere. Las disoluciones diluidas del laboratorio también exigen gafas y guantes; la descomposición libera oxígeno, así que nunca se hace en un recipiente cerrado.

42.6 Ejercicios

Ejercicio 42.1 ★

En la descomposición del peróxido de hidrógeno catalizada por iones yoduro, ¿qué especies son reactivos, cuáles productos, cuál es el catalizador y cuál un intermedio?

Solución

Solución de Ejercicio 42.1.

Reactivo: $\ce{H2O2}$ . Productos: $\ce{H2O}$ y $\ce{O2}$ . Catalizador: $\ce{I-}$ (consumido en la etapa 1, recuperado en la etapa 2). Intermedio: $\ce{IO-}$ (formado en la etapa 1, consumido en la etapa 2).

Ejercicio 42.2 ★

¿Catálisis homogénea o heterogénea?: iones yoduro en una disolución de peróxido de hidrógeno; platino en un convertidor catalítico; hierro en la síntesis del amoníaco; iones hierro(III) en una disolución de peróxido de hidrógeno.

Solución

Solución de Ejercicio 42.2.

Homogénea; heterogénea; heterogénea; homogénea.

Ejercicio 42.3 ★

En los perfiles de energía, ¿qué camino tiene la barrera más alta? ¿Son iguales las energías inicial y final en ambos caminos? ¿Qué significa esto para los productos?

Solución

Solución de Ejercicio 42.3.

El camino sin catalizar. Los niveles inicial y final son los mismos: se forman los mismos productos, con la misma energía liberada; solo cambia el camino.

Ejercicio 42.4 ★

¿Por qué un catalizador no aparece en la ecuación global de una reacción?

Solución

Solución de Ejercicio 42.4.

Se consume en una etapa y se recupera en otra: aparece en ambos lados de la suma de las etapas y se simplifica.

Ejercicio 42.5 ★

¿Por qué los catalizadores sólidos de la industria se usan como polvos finos o como capas delgadas sobre soportes porosos?

Solución

Solución de Ejercicio 42.5.

La reacción ocurre en la superficie: cuanto mayor es la superficie, más moléculas pueden reaccionar a la vez, con la misma masa de catalizador (a menudo caro).

Ejercicio 42.6 ★★

Suma las dos etapas de la descomposición del peróxido de hidrógeno catalizada por hierro(III) y demuestra que los iones hierro y los iones hidrógeno se simplifican.

Solución

Solución de Ejercicio 42.6.

Suma: $\ce{2Fe^{3+} + 2H2O2 + 2Fe^{2+} + 2H+ -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+ + 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . Los iones hierro y los iones hidrógeno aparecen en ambos lados y se simplifican: $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

Ejercicio 42.7 ★★

Lee las curvas del oxígeno desprendido. ¿Cuánto tarda cada ensayo en liberar la mitad del volumen final? ¿Por qué factor lo acorta el catalizador?

Solución

Solución de Ejercicio 42.7.

La mitad de $72\,\mathrm{mL}$ es $36\,\mathrm{mL}$ : se alcanza al cabo de unos $35\,\mathrm{min}$ sin catalizador y de $3.5\,\mathrm{min}$ con él. El catalizador lo acorta diez veces.

Ejercicio 42.8 ★★

En los coches equipados con convertidor catalítico no se usa gasolina con plomo: el plomo se deposita sobre el platino y se queda allí. Explica por qué esto estropea el convertidor, aunque la reacción normal no consuma el platino.

Solución

Solución de Ejercicio 42.8.

La reacción tiene lugar en la superficie del platino; el plomo la cubre y se queda allí, de modo que los gases ya no pueden llegar al metal. El catalizador está “envenenado”: presente, pero inútil.

Ejercicio 42.9 ★★

Un alumno mide la espuma producida por rodajas de patata en agua oxigenada a 10, 25, 37, 60 y $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : la espuma aumenta hasta unos $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , luego disminuye y casi desaparece a $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Explica las dos partes de la curva.

Solución

Solución de Ejercicio 42.9.

Hasta unos $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , la reacción se acelera con la temperatura, como cualquier reacción. Por encima, la enzima, una proteína, pierde su forma y con ella su actividad; a $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ queda destruida.

Ejercicio 42.10 ★★

Escribe la ecuación de la reacción entre el monóxido de carbono y el monóxido de nitrógeno en un convertidor catalítico y comprueba que está ajustada. ¿Por qué se eliminan los dos contaminantes a la vez?

Solución

Solución de Ejercicio 42.10.

$\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2}$ : C 2 = 2, O 4 = 4, N 2 = 2. El monóxido de carbono se oxida con el monóxido de nitrógeno, que se reduce: cada contaminante elimina al otro.

Ejercicio 42.11 ★★

$10.0\,\mathrm{mL}$ de una disolución de peróxido de hidrógeno desprenden $72\,\mathrm{mL}$ de oxígeno a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ al descomponerse por completo. Calcula la cantidad de oxígeno ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ ) y después la concentración de peróxido de hidrógeno de la disolución.

Solución

Solución de Ejercicio 42.11.

$n(\ce{O2}) = 0.072 / 24.1 = 2.99 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ ; $n(\ce{H2O2}) = 2 \times 2.99 \times 10^{-3} = 5.98 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ en $10.0\,\mathrm{mL}$ : $c = 0.598\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

Ejercicio 42.12 ★★★

El vapor de etanol que pasa sobre alúmina da eteno; sobre cobre da etanal. Escribe las dos ecuaciones, indica la categoría de la primera y explica qué es un catalizador selectivo.

Solución

Solución de Ejercicio 42.12.

$\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ , una eliminación; $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . Un catalizador selectivo acelera una de varias reacciones posibles mucho más que las otras, y así decide el producto.

Ejercicio 42.13 ★★★

Un catalizador hace una reacción diez veces más rápida. Un alumno afirma que también da diez veces más producto. Corrige la afirmación con ayuda de las curvas del oxígeno desprendido.

Solución

Solución de Ejercicio 42.13.

El catalizador no cambia el estado final: las curvas con y sin catalizador terminan en el mismo volumen de oxígeno. Se obtiene la misma cantidad de producto, solo que antes.

Ejercicio 42.14 ★★★

Una molécula de catalasa descompone unos pocos millones de moléculas de peróxido de hidrógeno por segundo. Tomando $5 \times 10^{6}$ por segundo, ¿cuánto tarda una molécula de enzima en descomponer un mol de peróxido de hidrógeno? ¿Cuántas moléculas de enzima lo harían en un segundo? (Un cálculo de órdenes de magnitud; la velocidad es un dato del ejercicio.)

Solución

Solución de Ejercicio 42.14.

$6.02 \times 10^{23} / 5 \times 10^{6} = 1.2 \times 10^{17}\,\mathrm{s}$ , unos cuatro mil millones de años. Para hacerlo en un segundo: $1.2 \times 10^{17}$ moléculas de enzima, es decir, $2 \times 10^{-7}\,\mathrm{mol}$ .

Ejercicio 42.15 ★★★

En 2024, el mundo produjo unos 150 millones de toneladas de nitrógeno en forma de amoníaco. ¿Qué masa de amoníaco es eso? ¿Qué cantidad de dinitrógeno se combinó?

Solución

Solución de Ejercicio 42.15.

Amoníaco $\ce{NH3}$ : $150 \times 17.0 / 14.0 = 182\,\mathrm{Mt}$ . Átomos de nitrógeno: $1.50 \times 10^{14} / 14.0 = 1.07 \times 10^{13}\,\mathrm{mol}$ , es decir, $5.36 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ de $\ce{N2}$ .

42.7 Problema: el agua oxigenada de la peluquería

Problema 42.1

Problema de fin de semana — ¿cuál es la concentración del agua oxigenada de “20 volúmenes”?

En las peluquerías se usan disoluciones de peróxido de hidrógeno etiquetadas en “volúmenes”: una disolución de “20 volúmenes” es aquella de la que $1\,\mathrm{L}$ desprende $20\,\mathrm{L}$ de oxígeno al descomponerse por completo, midiendo el gas a $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ y a la presión atmosférica normal, donde un mol de gas ocupa $22.4\,\mathrm{L}$ .

Parte I — La descomposición.

Escribe la ecuación de la descomposición del peróxido de hidrógeno.
¿Es la descomposición una reacción redox? Encuentra el oxidante y el reductor (el peróxido de hidrógeno es ambos).
¿Por qué se conserva un frasco durante meses, aunque la reacción sea posible?

Parte II — Qué significa “20 volúmenes”.

¿Qué cantidad de oxígeno desprende $1\,\mathrm{L}$ de la disolución?
Deduce la cantidad de peróxido de hidrógeno en $1\,\mathrm{L}$ .
Da la concentración molar.
Calcula la masa molar del peróxido de hidrógeno y la concentración en masa.
¿Qué significaría “10 volúmenes” en moles por litro?

Parte III — Dos catalizadores.

Se añade a una muestra una gota de sangre (catalasa) y a otra unas gotas de cloruro de hierro(III). ¿Qué tipo de catálisis es cada una?
Escribe las dos etapas de la catálisis por hierro(III) y comprueba que su suma es la descomposición.
Con las curvas del oxígeno desprendido, describe cómo cambia el volumen de oxígeno con y sin catalizador, y qué permanece igual.
¿Por qué el color de una muestra catalizada por hierro(III) cambia durante la reacción y vuelve al final?
¿Por qué una patata cocida no hace espumar la disolución?

Parte IV — El frasco.

¿Qué volumen de oxígeno, medido a $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , puede desprender un frasco de $100\,\mathrm{mL}$ ?
¿Qué volumen es eso a $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ )?
¿Por qué el tapón de un frasco así debe dejar escapar el gas lentamente?
Un frasco almacenado durante mucho tiempo se valora y se encuentra que contiene $1.50\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . ¿Cuántos “volúmenes” son ahora?
¿Qué fracción del peróxido de hidrógeno se ha descompuesto?
Da la respuesta final: ¿cuál es la concentración molar de una disolución de peróxido de hidrógeno de “20 volúmenes”?

Solución

Solución de Problema 42.1.

1. $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

2. Sí: el peróxido de hidrógeno es el oxidante del par $\ce{H2O2}$ / $\ce{H2O}$ y el reductor del par $\ce{O2}$ / $\ce{H2O2}$ ; se oxida y se reduce a sí mismo.

3. Sin catalizador, la reacción es extremadamente lenta.

4. $20 / 22.4 = 0.893\,\mathrm{mol}$ .

5. Dos moles de peróxido de hidrógeno por mol de oxígeno: $1.79\,\mathrm{mol}$ .

6. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

7. $M = 2 \times 1.0 + 2 \times 16.0 = 34.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $C_m = 1.79 \times 34.0 = 60.7\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ .

8. La mitad: $0.893\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

9. La catalasa: una enzima, disuelta, un catalizador biológico; los iones hierro(III): catálisis homogénea.

10. $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ y $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ ; su suma es $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

11. Con catalizador, el volumen sube mucho más deprisa; las dos curvas se estabilizan en el mismo volumen final.

12. Los iones hierro(III) (naranjas) se convierten en hierro(II) (verde pálido) en la primera etapa y vuelven a hierro(III) en la segunda; al final, todo el hierro vuelve a ser hierro(III).

13. La cocción ha destruido la enzima.

14. $0.100 \times 20 = 2.0\,\mathrm{L}$ .

15. $n(\ce{O2}) = 0.100 \times 0.893 = 0.0893\,\mathrm{mol}$ , es decir, $0.0893 \times 24.1 = 2.15\,\mathrm{L}$ .

16. La descomposición lenta libera oxígeno, que acumularía presión en un frasco hermético.

17. $1.50 / 2 = 0.750\,\mathrm{mol}$ de oxígeno por litro, es decir, $0.750 \times 22.4 = 16.8\,\mathrm{L}$ : “16.8 volúmenes”.

18. $(1.79 - 1.50)/1.79 \approx 16\,\%$ .

19. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

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