Catalizadores E-Book

Sergio Fuentes

• Herausgeber: Fondo de Cultura Económica
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: La Ciencia para Todos
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2019

Seitenzahl: 96

Beschreibung

Los Catalizadores pueden compararse con la piedra filosofal de los alquimistas, ya que permiten transformar el petróleo, si no en oro, sí en una serie de productos cotidianos indispensables, y aunque la acción del proceso catalítico no se limita a la aceleración de reacciones químicas y a la transformación del petróleo, es en este último campo donde ha tenido su principal aplicación. Se trata, además, de un fenómeno que es clara muestra de la unión que debe existir entre investigación científica y tecnológica.

Leseprobe

La Cienciapara Todos

Desde el nacimiento de la colección de divulgación científica del Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenido un ritmo siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas e instituciones que la hicieron posible. Los científicos siempre han aportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursión en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos y casi inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los lectores sin formación científica.

A los 10 años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante, que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que se piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española —y ahora también del portugués—, razón por la cual tomó el nombre de La Ciencia para Todos.

Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través del mar océano, a la península ibérica, está en marcha un ejército integrado por un vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que extienden sus actividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual se encuentra en plena revolución y continuamente va cambiando nuestra forma de pensar y observar cuanto nos rodea.

La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo en extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradición humanista, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última instancia, su fin. Y, en consecuencia, su propósito principal es poner el pensamiento científico en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno, crearán una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos.

CATALIZADORES

Comité de selección de obras

Dr. Antonio Alonso Dr. Francisco Bolívar Zapata Dr. Javier Bracho Dra. Rosalinda Contreras Dr. Jorge Flores Valdés Dr. Juan Ramón de la Fuente Dr. Leopoldo García-Colín Scherer (†) Dr. Adolfo Guzmán Arenas Dr. Gonzalo Halffter Dr. Jaime Martuscelli Dra. Isaura Meza Dr. José Luis Morán Dr. Héctor Nava Jaimes Dr. Manuel Peimbert Dr. Ruy Pérez Tamayo Dr. Julio Rubio Oca Dr. José Sarukhán Dr. Alfonso Serrano Dr. Guillermo Soberón Dr. Elías Trabulse

Coordinadora

María del Carmen Farías

Sergio Fuentes • Gabriela Díaz

CATALIZADORES

¿La piedra filosofal del siglo XX?

La Ciencia para Todos / 59

Primera edición (La Ciencia desde México), 1988    Tercera reimpresión, 1995 Segunda edición (La Ciencia para Todos), 1997    Segunda reimpresión, 2001 Tercera edición, 2003 Primera edición electrónica, 2016

La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

D. R. ©, 1988, Fondo de Cultura Económica, S. A. de C. V. D. R. © 1995, Fondo de Cultura Económica Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14738 Ciudad de México

Comentarios:[email protected] Tel. [phone]

Se prohíbe la reproducción total o parcial de esta obra, sea cual fuere el medio. Todos los contenidos que se incluyen tales como características tipográficas y de diagramación, textos, gráficos, logotipos, iconos, imágenes, etc., son propiedad exclusiva del Fondo de Cultura Económica y están protegidos por las leyes mexicanas e internacionales del copyright o derecho de autor.

ISBN 978-607-16-3850-2 (ePub)ISBN 978-968-16-6975-1 (impreso)

Hecho en México - Made in Mexico

ÍNDICE

PRÓLOGO

   I. Historia de la catálisis

  II. Aspectos fundamentales de la catálisis y los catalizadores

 III. Catálisis homogénea

 IV. Catálisis enzimática

  V. Catálisis heterogénea

 VI. Aplicaciones industriales

 LECTURAS RECOMENDADAS

PRÓLOGO

EN LA segunda mitad del siglo XX hemos vivido avances muy importantes en la ciencia y la tecnología, por ejemplo en la electrónica, la física nuclear, la biología y la medicina. Sin embargo, la fuerza primaria que ha permitido tal desarrollo es el petróleo. Éste ha sido (y continúa siendo) la fuente natural no renovable básica para la obtención de la energía en el mundo. Han debido resolverse gran número de problemas científico-técnicos en la industria del petróleo, a lo largo de casi 40 años, para llegar a obtener la amplia gama de productos derivados del petróleo de los cuales gozamos actualmente: combustibles, fibras sintéticas, aceites, detergentes, plásticos, productos químicos, etc., incluyendo la producción de alimentos. Esta revolución pacífica alrededor del petróleo (ya que han existido un gran número de las otras) ha sido posible en un 90% gracias a la utilización de los catalizadores. Estas sustancias han permitido obtener procesos energética y financieramente más económicos, o nuevos productos de mayor pureza o rendimiento. Es por este motivo que la fórmula de tales sustancias se mantiene celosamente en secreto y sólo pueden ser adquiridas a costos muy elevados. No es un secreto que las compañías más grandes del mundo son las petroleras y que entre ellas destacan las que venden tecnología de explotación y refinación.

Los catalizadores pueden compararse con la piedra filosofal de los alquimistas, ya que permiten transformar el petróleo no en oro, sino en una serie de productos cotidianos indispensables.

Si bien los catalizadores han tenido su principal aplicación en la transformación del petróleo, su campo de acción es muy extenso y abarca hasta los enzimáticos (biológicos). En general cuando una reacción se lleva a cabo muy lentamente puede ser acelerada o catalizada por el uso adecuado de algún catalizador. La solución al enigma de cuál es el catalizador más adecuado, en qué forma y bajo qué condiciones debe operar en una reacción dada, es materia de un conjunto de conocimientos que durante mucho tiempo estuvieron basados en el empirismo y que sólo recientemente han sido reconocidos como ciencia: la catálisis. Esta rama del quehacer científico destinada a la comprensión del modus operandi de los catalizadores requiere de la aplicación de varias disciplinas entre las que destacan la cinética-química, la física de superficies, la físico-química, la ingeniería química, la química orgánica, la física del estado sólido y la ciencia de materiales, entre otras. De esta forma el fenómeno catalítico es una muestra clara de la unión fundamental que debe existir entre investigación científica e investigación tecnológica para beneficio de la humanidad.

En este libro los autores nos hemos puesto como objetivo conjuntar lo esencial de ambas aplicaciones con la finalidad de describir los principios de la acción catalítica así como mostrar su injerencia en la vida cotidiana.

En los capítulos III, IV y V se exponen las ecuaciones cinéticas que dan cuenta de los fenómenos catalíticos homogéneos, heterogéneos y enzimáticos. Estos tres capítulos son más adecuados para estudiantes y profesionistas interesados en un conocimiento más detallado de la catálisis. Se sugiere al lector no especializado pasar del capítulo II al capítulo VI.

I. Historia de la catálisis

DE LA EDAD DE LA PIEDRA A LA EDAD DEL ORO NEGRO

EN LA Edad Media los conocimientos relacionados con las transformaciones químicas eran manejados a nivel de magia y poderes sobrenaturales por un grupo de “iniciados”. En este entorno los “iniciados” o alquimistas observaron que la presencia de algunos elementos extraños en una mezcla hacía posible la obtención de algunos productos útiles al hombre. Al desconocer la naturaleza del fenómeno llegaron incluso a imaginar que podría haber alguna sustancia que cambiara los metales comunes como el plomo y el hierro en el metal más valioso hasta entonces conocido, el oro. A esta misteriosa sustancia nacida de la imaginación del hombre se le llamó la piedra filosofal. Al analizar su significado se puede deducir que el vocablo “piedra” posiblemente provino de la observación generalizada de que un mineral o sustancia sólida era el causante de los fenómenos observados. El vocablo filosofal es claramente calificativo de una concepción puramente imaginativa del fenómeno. Siglos pasaron en esta búsqueda sin que se lograra transformar más que el hierro en sulfuro de hierro (pirita), al que se le conoce como el “oro de los tontos”, por el brillo y color similares que este material tiene con el oro. El desconocimiento de los principios de la termodinámica clásica impidió a los alquimistas saber que intentaban llevar a cabo un proceso imposible de realizar.

La acumulación de experiencias y observaciones en este campo de las transformaciones casi mágicas llevó a la asimilación de estos fenómenos en una definición propuesta por Berzelius en 1836. La descripción textual del fenómeno es la siguiente:

Se ha probado que algunas sustancias simples o compuestas, solubles o insolubles, tienen la propiedad de ejercer sobre otras sustancias un efecto muy diferente al de la afinidad química. A través de este efecto ellas producen descomposición en los elementos de esas sustancias y diferentes recombinaciones de esos elementos, de los cuales ellas permanecen separadas[…] Esta nueva fuerza desconocida hasta hoy es común a la naturaleza orgánica e inorgánica. Yo no creo que sea una fuerza completamente independiente de las afinidades electroquímicas, por el contrario, es una nueva manifestación de esa afinidad. Sin embargo, como no podemos ver su conexión y mutua dependencia es más conveniente dar a esta fuerza un nombre separado. Yo la llamaré fuerza catalítica y llamaré a la descomposición de sustancias por esta fuerza catálisis, de manera similar que a la descomposición de sustancias por la afinidad se le llama análisis.

En contraste con la piedra filosofal que fue el sueño de los alquimistas, los catalizadores no pueden transmutar los metales baratos en oro, aun cuando llegan a producir materiales valiosos a partir de materia prima de poco valor.

La reacción catalítica más antigua promovida por el hombre es la fermentanción del vino, la cual, según análisis de textos antiguos, debió haber sido utilizada por primera vez alrededor de 5 000 años a.C. Esta reacción, tan única que puede ser considerada como una bendición de la naturaleza (o a la inversa para unos pocos), es una reacción de catálisis enzimática, en la cual la enzima zimasa transforma selectivamente los azúcares en alcohol. ¡Recuerde que la calidad depende de la enzima, y la cantidad, de usted!

Le sigue en edad de aplicación la hidrólisis de grasas animales para la manufactura de jabón, utilizando como catalizador las cenizas de la madera (ricas en óxido de potasio).*

En la Edad Media los alquimistas llevaban a cabo algunas reacciones catalíticas para producir compuestos como el ácido sulfúrico; sin embargo, no fue sino hasta principios del siglo XIX cuando ya hubo una generalización de los hechos:

1812

Thenard observó la descomposición espontánea del agua oxigenada al adicionar polvos metálicos.

1817

Sir Humphrey Davy reportó que un hilo de platino en contacto con alcohol se ponía incandescente, a la vez que aparecía simultáneamente ácido acético.

1825

Fumiseri sugirió que debía existir un lazo posible entre la adsorción y la reacción química, dando importancia a la heterogeneidad de las superficies.

1831

Se encuentra la primera patente para la oxidación de SO2 catalizada por esponja de platino.

1834

Faraday hace mención del fenómeno de envenenamiento de los metales por ciertas impurezas.

1836

Berzelius agrupó todas esas observaciones atribuyéndolas a una fuerza misteriosa capaz de destruir las uniones moleculares.

1915

Empieza la explotación industrial del proceso de síntesis de amoniaco descubierto por Haber, el cual es catalizado por el hierro.

1920

Aparece el primer libro de catálisis escrito por Paul Sabatier y que de alguna manera fue la punta del iceberg de la serie de conocimientos y aplicaciones futuras de la catálisis.