CATLISIS

INTRODUCCIN. En los oscuros comienzos de la qumica, cuando sta era tan slo alquimia, exista la creencia de que las transformaciones de la materia, se podan avivar por determinadas sustancias, incluida la piedra filosofal en sus diferentes acepciones. El trmino de catlisis 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 accin, diferente a la causada por la afinidad qumica, por medio de la cual se produce su descomposicin, formando nuevos compuestos, que no entraban en la composicin de aquellos. A este poder desconocido, comn a la naturaleza orgnica e inorgnica, llamo poder cataltico, siendo catlisis la descomposicin de cuerpos por esta fuerza@1. Sin embargo la palabra as mencionada ya aparece en la Alchymia de Libavius de 1595, verdadero compendio de qumica hasta aquellas fechas, porque en su estructura etimolgica griega significa disolucin2; destruccin de un compuesto, y la destruccin era una fase dentro de la Obra Alqumica. Precediendo a Berzelius, su amigo y colaborador, Mitscherlich, la denomin en 1834 Aaccin de contacto@. Sera Ostwald, el que nos leg el concepto de catlisis y catalizador, tal como lo conocemos actualmente. En qumica a la gota primeramente se estudiar la catlisis en la descomposicin del perxido de hidrgeno, producto muy barato y de uso corriente, tomando el sentido berzeliano del trmino. ACCIN CATALTICA EN LA DESCOMPOSICIN DEL PERXIDO DE HIDRGENO

La descomposicin de perxido de hidrgeno, con produccin de oxgeno se formula as: 2H2O2(aq) 6 2H2O(l) + O2(g)

Esta reaccin tiene una energa de activacin de 75 kJ/mol, por eso es muy lenta para visualizarla en fotografa digital, sobre todo en invierno a temperatura ambiente (en retroproyeccin era mucho ms rpida por que se activa con el calor desprendido por el sistema). Como criterio visual del aumento de velocidad de reaccin, se tomar el tiempo y la cantidad de burbujas de oxgeno que se desprenden, comparando una reaccin sin catalizar con otra catalizada con diferentes tipos de catalizadores. Se va a emplear perxido de hidrgeno del 30%, a efecto de aumentar la velocidad de la reaccin, y realizar las tomas en menos tiempo. Si se usase del 6% (la normal en retroproyeccin) se tardara un tiempo demasiado largo en visualizar el desprendimiento de oxgeno. La primera accin cataltica a estudiar es la del ion Cu2+

Las fotografas presentan en un montaje en blanco, a la izquierda: una caja Petri con 3 gotas de perxido de hidrgeno 30%, mientras que en la de la derecha, la misma cantidad de perxido de hidrgeno y una gota de cloruro de cobre (II) azul verdoso (foto 1) Se mezclan las gotas, y se dispara el cronmetro.

1 Berzelius, toma el significado del poder cataltico y de la catlisis, como la capacidad para Ahacer soltar@ los

constituyentes de determinadas sustancias.

2 Catlisis del griego (disolucin), procede (hacia abajo), que se empleaba con el mismo significado ya en el hittita, miles de aos antes, y de , desatar, de la raz indoeuropea *leu, que abarca dicho significado incluido el de dividir y partir.

Foto 1

CarlosRectngulo

CarlosCuadro de texto

CarlosCuadro de textoUNI- FIPPQ-122LABORATORIO

Parece evidente a travs de las fotografas que, el cloruro de cobre (II) en la caja Petri de la derecha, cataliza, la descomposicin del perxido de hidrgeno, producindose una apreciable cantidad de burbujas de O2, con un mximo a los 4 minutos. En la reaccin tiene lugar un cambio de color del Cu2+, que indica algn paso intermedio. Si se emplea como catalizador el cloruro de hierro (III) (amarillo) (foto 6), obtenemos la sucesin de imgenes de la parte inferior.

Foto 2 Foto 3

Foto 6 Foto 7

Foto 5 Foto 4

La accin cataltica del cloruro de hierro (III) es ms intensa que la del cloruro de cobre (II), dado que a los 4 minutos (foto 9) se produce un mayor nmero de burbujas de oxgeno, para las mismas cantidades de reactivo en similares concentraciones. En el caso del cloruro de cobre (II), la reaccin es ms lenta ya que a los 11 minutos (foto 5) todava se mantiene el desprendimiento de oxgeno. Cocatlisis Sin embargo si juntamos ambos catalizadores se produce un fenmeno de cocatlisis que acelera la reaccin. 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 perxido de hidrgeno del 30%, mientras que en la de la izquierda, slo contiene perxido de hidrgeno. Al juntarse las gotas, se obtienen estas fotografas Si se observa el tiempo en funcin del desprendimiento de oxgeno, y se compara con las reacciones anteriores, se ve que ya los 24s hay un notable desprendimiento de oxgeno, y que la reaccin llega a su mximo desprendimiento prcticamente a los 70s, mientras que si slo la catalizaba el cloruro de hierro (III) o el cloruro de cobre (II), de forma independiente, el mximo desprendimiento ocurra a los 4 minutos.

En todas estas catlisis la cintica de la reaccin es de primer orden, o sea depende nicamente de la concentracin del perxido de hidrgeno, establecindose una relacin lineal, entre el logaritmo neperiano de la concentracin y el tiempo que tarda en descomponerse.

La accin de los iones de metales de transicin en la catlisis, se fundamenta en su capacidad para alojar pares de electrones en orbitales atmicos d, por lo que, en este caso favorecen la produccin de oxgeno, dado que esta molcula posee un par de electrones antienlazantes, que se pueden estabilizar a travs de una interaccin de coordinacin.

Foto 12 Foto 11

Foto 10

Inhibicin cataltica en la descomposicin del perxido de hidrgeno Al igual que se puede acentuar la accin cataltica, a travs de la cocatlisis, tambin se puede inhibir, a travs de venenos o compuestos que se combinan con los catalizadores. Se dispone en la caja Petri de la izquierda, perxido de hidrgeno 30% junto con una gota de cloruro de hierro (III) 1M, mientras que en la de la derecha, unas gotas de perxido de hidrgeno junto a una gota de disoluciones de cloruro de hierro (III) y de ortofosfato de sodio. Se mezclan y se dispara el cronmetro. As vemos que mientras el cloruro de hierro (III) acta como catalizador, el ortofosfato de sodio lo hace como retardador, inhibiendo la accin del cloruro de hierro (III). La reaccin avanza mucho ms lentamente. Se observa que cuando en la caja Petri de la izquierda, pasados los 3 minutos, disminuye la produccin de burbujas de oxgeno, en la de la derecha que incluye el inhibidor, aumenta. La accin del ortofosfato, es la de combinarse con los iones Fe3+, para formar ortofosfato de hierro (III), evitando que stos aceleren la descomposicin del perxido de hidrgeno.

Foto 13 Foto 14

Foto 16 Foto 15

CATLISIS II

Accin cataltica del yoduro potsico. Una descomposicin muy caracterstica del perxido de hidrgeno es con yoduro potsico. Sus resultados son diferentes segn que el catalizador est en disolucin (catlisis homognea) o en estado slido (catlisis heterognea). Para diferenciarlo, se disponen los reaccionantes como indica la fotografa 1. Se unen las gotas siguiendo el sistema empleado en toda la qumica a la gota. Se dispara el cronmetro y se toma la siguiente sucesin de fotografas, con la cmara a 15 cm. de la reaccin. La accin del catalizador, es debida al yoduro, que produce un proceso redox interno, que se podra justificar a travs de las siguientes reacciones:

H2O2(aq) + I- (aq) H2O(l) + IO- (aq)

H2O2(aq) + IO- (aq) H2O(l) +I- (aq) + O2(g) La reaccin es de segundo orden, pues depende no slo de la concentracin de perxido de hidrgeno sino tambin de la de yoduro, por eso cuando est en fase slida ( mayor concentracin), la velocidad se hace mucho mayor. En la foto 2 (a los 22 segundos) y en la caja Petri de la derecha se aprecia la gran cantidad de burbujas de oxgeno, mientras que en la caja Petri central, apenas se observa un ligero

Foto 2 Foto 1

Foto 4 Foto 3

desprendimiento. En cambio la reaccin en la caja Petri de la derecha, con el yoduro potsico slido (foto 3), est terminando, mientras que con el yoduro potsico en disolucin todava contina. En la foto 4, ya no hay desprendimiento de oxgeno con el yoduro potsico slido como catalizador. La reaccin es muy exotrmica, y aun a la gota, produce proyeccin de producto como tambin se aprecia en la foto 3. La catlisis heterognea rpidamente da lugar a una gran produccin de oxgeno, con apariencia de espuma (foto 2), por ese motivo a esta reaccin se la llam jocosamente pasta de dientes para elefantes. La gran velocidad en la produccin de oxgeno dando lugar a la formacin de espumas, hace que se emplee cuantitativamente midiendo el tiempo que tarda la espuma en alcanzar el borde de una probeta, en funcin de la concentracin de perxido empleada, en una posible demostracin de ctedra.

NOTA: Estas reacciones an hechas a la gota, necesitan de precauciones (uso de gafas y guantes), dado que el perxido de hidrgeno concentrado ataca la piel y el pelo. Debe tenerse cuidado con el objetivo de la cmara fotogrfica y no acercarlo excesivamente a la cajas Petri (fotografas hechas con zoom), puesto que se proyecta producto. Catlisis enzimtica con catalasa. La catalasa es un buen catalizador de la descomposicin del agua oxigenada. Se puede obtener a partir de una gota de sangre1, o mejor de patatas. Para ello se mondan y pican 2 patatas, se extrae con agua fra y se filtran los residuos slidos. La disolucin con catalasa deber dejarse en la nevera, puesto que los enzimas se descomponen con el calor. Tal como se indica (foto 5), se dispone en la caja Petri de la derecha unas gotas de perxido de hidrgeno 30% y una gota de catalasa, en la de la izquierda slo perxido de hidrgeno. Se juntan las gotas y se dispara el cronmetro. Se observa que a los 26 segundos, se desprende una considerable cantidad de burbujas de oxgeno, que enseguida disminuye, a los 2 minutos. 1 Es lo que ocurre cuando se lava una herida con agua oxigenada, el oxgeno cuya produccin se estimula es el agente desin-f t t

Foto 5

Foto 6

Foto 7

Catlisis con dixido de manganeso o la lmpara de aladino Se disponen en la caja Petri de la izquierda unas gotas de perxido de hidrgeno 30%, y en la de la derecha, junto con las gotas un poco de dixido de manganeso en polvo (negruzco) (foto 8). Se une y se dispara el cronmetro. La sucesin de fotos obtenidas es la siguiente:

Se aprecia que ya a los 50 segundos (foto 9), se des-prende gran cantidad de bur-bujas de oxgeno en la reac-cin de descomposicin del perxido, mantenindose con gran fuerza (foto 10) incluso pasados 8 minutos (foto 11). Obsrvese el detalle de las burbujas de oxgeno produci-das, en la foto 12.

El uso del dixido de manganeso como catalizador, tal como ocurra con el yoduro potsico, provoca un rpido desprendimiento de burbujas de oxgeno. En este caso la reaccin es de primer orden, y el dixido de manganeso en polvo, acta as debido a su gran superficie de interaccin. La reaccin es muy exotrmica lo que hace que incluso se forme vapor de agua. Estos hechos han motivado que la reaccin se conozca con el nombre de Demostracin del genio de la lmpara, recordando al genio que sale entre el humo de la lmpara de Aladino.

Foto. 10

Foto 8

Foto 11

Foto 9

Foto. 12

Catlisis con tartrato sdico potsico y cloruro de cobalto(II) ; catlisis rosa. Se llama catlisis rosa debido al color rosa del cloruro de cobalto(II) que acta como catalizador de la reaccin redox entre el perxido de hidrgeno y el tartrato sdico potsico. Es una reaccin bastante compleja, porque se puede superponer con la descomposicin del perxido de hidrgeno, con produccin de oxgeno tal como en las reacciones anteriores. En primer lugar se considerar la redox con produccin de burbujas de dixido de carbono:

5H2O2 + NaK H4C4O6 KOH + NaOH + 4CO2 + 6H2O La sucesin de fotografas despus de unir las gotas, dispuestas como se indica en la foto 13, y siempre operando como en las anteriores reacciones, es la siguiente:

Foto 18

Foto 17

Foto 13

Foto 16

Foto 14

Foto 15

CarlosRectngulo

CarlosCuadro de texto

La observacin de la sucesin de fotos obtenidas indica que en la caja Petri de la derecha, en la cual la reaccin est catalizada con el cloruro de cobalto (II), la mxima produccin de burbujas en este caso, de dixido de carbono, es prcticamente a los 3 minutos (foto 14). Sin embargo en la caja Petri del centro, en la cual se dispone la reaccin sin catalizar, este hecho slo ocurre a los 15 minutos (foto 16), cuando en la caja Petri de la derecha casi han desaparecido. A partir de los 20 minutos, en la caja Petri de la derecha vuelven a producirse burbujas pero con una disposicin diferente y con un cambio de color que indica una reaccin secundaria.