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Física y Química 3.º ESO · Práctica: factores que influyen en la velocidad de reacción. Catalizadores

Ampliación: catalizadores en la industria, en los seres vivos y en los coches

Objetivo: Al terminar, sabrás describir algunos catalizadores industriales, el papel de las enzimas en los seres vivos y cómo funciona el catalizador de los coches.

Explicación

Catalizadores en la industria

La gran mayoría de los productos de la industria química se fabrican con ayuda de catalizadores. Sin ellos, muchas reacciones serían tan lentas que no saldría rentable hacerlas, o habría que calentar muchísimo (gastando mucha energía).

Proceso	Reacción	Catalizador
Fabricación de amoníaco (abonos)	$\text{N}_2 + 3\,\text{H}_2 \rightarrow 2\,\text{NH}_3$	hierro
Fabricación de ácido sulfúrico	$2\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{SO}_3$	óxido de vanadio(V), $\text{V}_2\text{O}_5$
Margarinas (aceites que se hacen sólidos)	aceite + hidrógeno $\rightarrow$ grasa sólida	níquel

Los catalizadores industriales suelen ser sólidos (metales u óxidos metálicos) en forma de polvo, granos o mallas, para que tengan mucha superficie de contacto.

Enzimas: los catalizadores de los seres vivos

En nuestro cuerpo ocurren miles de reacciones a 37 °C, una temperatura demasiado baja para que sean rápidas por sí solas. Las enzimas las aceleran:

Amilasa (en la saliva): rompe el almidón del pan y la pasta en azúcares.
Pepsina (en el estómago): rompe las proteínas.
Lactasa (en el intestino): rompe la lactosa, el azúcar de la leche. Las personas que tienen poca lactasa toman leche «sin lactosa».
Catalasa (en casi todas las células): descompone el agua oxigenada, que es tóxica para las células.

Las enzimas son muy específicas (cada una actúa sobre una sustancia o un tipo de sustancias) y funcionan mejor a una temperatura concreta; si se calientan demasiado, se destruyen. También se usan fuera del cuerpo: en los detergentes («con enzimas», que quitan manchas de grasa, sangre o huevo a 30–40 °C), en la fabricación de pan, queso, cerveza o yogur…

El catalizador de los coches

Los gases que salen del motor de un coche contienen sustancias contaminantes: monóxido de carbono ( $\text{CO}$ , muy tóxico), óxidos de nitrógeno ( $\text{NO}$ , $\text{NO}_2$ ) e hidrocarburos sin quemar. En el tubo de escape hay un convertidor catalítico: una pieza de cerámica en forma de panal, recubierta de metales como el platino, el paladio y el rodio. Sobre ellos, los contaminantes se transforman en sustancias menos dañinas: $2\,\text{CO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{CO}_2$ $2\,\text{NO} + 2\,\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\,\text{CO}_2$ Los hidrocarburos sin quemar terminan de quemarse y dan $\text{CO}_2$ y $\text{H}_2\text{O}$ .

El catalizador se estropea («se envenena») con el plomo: por eso hace años que solo se vende gasolina sin plomo. Y funciona mal en frío: en trayectos muy cortos contamina más.

¿Por qué son tan importantes?

Un catalizador no aumenta la cantidad máxima de producto que se puede obtener: hace que se obtenga antes y a menor temperatura. En una fábrica eso significa producir más por hora y gastar menos energía en calentar los reactores.

Puntos clave

Casi toda la industria química usa catalizadores: hierro (amoníaco), óxido de vanadio(V) (ácido sulfúrico), níquel (margarinas).
Los catalizadores industriales suelen ser sólidos con mucha superficie.
Las enzimas son catalizadores de los seres vivos: muy específicas y sensibles a la temperatura.
El convertidor catalítico de los coches (platino, paladio, rodio) transforma CO, NO e hidrocarburos en CO₂, N₂ y H₂O.

Errores frecuentes

ErrorPensar que el catalizador del coche elimina el CO₂.
Cómo corregirloNo: transforma CO, NO e hidrocarburos en CO₂, N₂ y agua. El CO₂ sigue saliendo (y es un gas de efecto invernadero).
ErrorCreer que una enzima funciona mejor cuanto más se calienta.
Cómo corregirloHasta cierta temperatura funciona mejor, pero si se calienta demasiado se destruye y deja de actuar.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Qué hace el catalizador de un coche situación real
Por la calle Princesa de Madrid pasan miles de coches al día. Explica qué contaminantes elimina el catalizador de cada coche, en qué los transforma y comprueba que las dos ecuaciones están ajustadas: $2\,\text{CO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{CO}_2$ y $2\,\text{NO} + 2\,\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\,\text{CO}_2$ .

Resolución
- El monóxido de carbono (muy tóxico) se transforma en dióxido de carbono.
- El monóxido de nitrógeno (que irrita las vías respiratorias y produce lluvia ácida) se transforma en nitrógeno, el gas más abundante del aire.
- Los hidrocarburos sin quemar se transforman en $\text{CO}_2$ y agua.
Comprobación del ajuste:
- Primera: C: 2 = 2; O: $2 + 2 = 4$ a la izquierda, $2 \cdot 2 = 4$ a la derecha. ✔
- Segunda: N: 2 = 2; C: 2 = 2; O: $2 + 2 = 4$ a la izquierda, $2 \cdot 2 = 4$ a la derecha. ✔
El catalizador (platino, paladio, rodio) no aparece en la ecuación como reactivo: no se gasta.
Ejemplo 2. La amilasa y la temperatura gráfico
La gráfica muestra la actividad de la amilasa (cuánto acelera la reacción, en % de su valor máximo) a distintas temperaturas. a) ¿A qué temperatura funciona mejor? ¿Por qué tiene sentido? b) ¿Qué le pasa a 65 °C? c) ¿Por qué funciona poco a 10 °C?

Resolución
a) A unos 37 °C: es la temperatura de nuestro cuerpo, donde trabaja esta enzima. b) Su actividad es casi nula (5 %): a esa temperatura la enzima se ha destruido. c) A baja temperatura las partículas se mueven despacio y chocan menos; todas las reacciones, también las catalizadas, son más lentas. Pero la enzima no se destruye: si se calienta a 37 °C, vuelve a funcionar.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Relaciona cada catalizador con su uso:
1. Hierro. 2. Óxido de vanadio(V). 3. Níquel. 4. Platino, paladio y rodio. 5. Amilasa. a) Digerir el almidón. b) Fabricar ácido sulfúrico. c) Tubo de escape de los coches. d) Fabricar amoníaco. e) Fabricar margarina.
Ver solución
1-d; 2-b; 3-e; 4-c; 5-a.
1-d (amoníaco); 2-b (ácido sulfúrico); 3-e (margarina); 4-c (convertidor catalítico); 5-a (digestión del almidón).
2. Media
Un detergente «con enzimas» indica: «Para mejores resultados, lavar entre 30 y 40 °C. No usar a más de 60 °C». Explica estas instrucciones.

Ver solución
Las enzimas funcionan mejor a temperaturas moderadas; a más de 60 °C se destruyen y el detergente lava peor.
Las enzimas del detergente son catalizadores que rompen las manchas (grasa, proteínas…). Funcionan mejor a una temperatura moderada, alrededor de 30–40 °C. Si el agua está muy caliente, las enzimas se destruyen y dejan de actuar, así que el detergente pierde parte de su eficacia. Además, lavar a menos temperatura ahorra energía.
3. Media
Ajusta estas reacciones que ocurren en el catalizador de un coche: a) _ NO + _ CO $\rightarrow$ _ $\text{N}_2$ + _ $\text{CO}_2$ b) _ $\text{C}_3\text{H}_8$ + _ $\text{O}_2$ $\rightarrow$ _ $\text{CO}_2$ + _ $\text{H}_2\text{O}$ (un hidrocarburo sin quemar)

Ver solución
a) 2, 2, 1, 2. b) 1, 5, 3, 4.
a) Para tener 2 N a la izquierda: 2 NO. Eso da 2 O; con 2 CO hay 4 O y 2 C a la izquierda, que se igualan con 2 $\text{CO}_2$ : $2\,\text{NO} + 2\,\text{CO} \rightarrow \text{N}_2 + 2\,\text{CO}_2$ b) 3 C $\Rightarrow$ 3 $\text{CO}_2$ ; 8 H $\Rightarrow$ 4 $\text{H}_2\text{O}$ ; O a la derecha: $3 \cdot 2 + 4 = 10$ $\Rightarrow$ 5 $\text{O}_2$ : $\text{C}_3\text{H}_8 + 5\,\text{O}_2 \rightarrow 3\,\text{CO}_2 + 4\,\text{H}_2\text{O}$

Para practicar más

1. Fácil
¿Por qué se dice que las enzimas son «específicas»? Explícalo con el ejemplo de la lactasa y la leche sin lactosa.

Ver solución
Cada enzima actúa sobre una sustancia concreta; la lactasa solo rompe la lactosa. La leche sin lactosa ya lleva la lactosa rota.
Cada enzima acelera solo una reacción o un tipo de reacciones, con una sustancia concreta. La lactasa solo rompe la lactosa (el azúcar de la leche) en dos azúcares más sencillos. Las personas que tienen poca lactasa no la digieren bien; la leche «sin lactosa» se fabrica añadiendo lactasa a la leche, de modo que la lactosa ya está rota antes de beberla.
2. Media
Si masticas un trozo de pan durante mucho rato sin tragarlo, empieza a saber dulce. Explica por qué.

Ver solución
La amilasa de la saliva cataliza la ruptura del almidón en azúcares, que saben dulces.
El pan contiene almidón, que no sabe dulce. La saliva contiene la enzima amilasa, que acelera la ruptura del almidón en azúcares más pequeños, que sí saben dulces. Al masticar mucho rato, da tiempo a que se forme suficiente azúcar para notarlo.
3. Difícil
Supón que un coche sin catalizador emite 2 g de monóxido de carbono por kilómetro y que el catalizador transforma el 90 % del CO en $\text{CO}_2$ según $2\,\text{CO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{CO}_2$ . a) ¿Cuántos gramos de CO emitiría en un trayecto de 15 km sin catalizador? ¿Y con catalizador? b) ¿Qué masa de $\text{CO}_2$ se forma en el catalizador en ese trayecto? Datos: C = 12 u; O = 16 u.

Ver solución
a) 30 g sin catalizador; 3 g con catalizador. b) Unos 42,4 g de CO₂.
a) Sin catalizador: $2\ \text{g/km} \cdot 15\ \text{km} = 30$ g de CO. El catalizador transforma el 90 %: $0{,}9 \cdot 30 = 27$ g; quedan $30 - 27 = 3$ g de CO. b) $M(\text{CO}) = 28$ g/mol; $M(\text{CO}_2) = 44$ g/mol. Según la ecuación, $2 \cdot 28 = 56$ g de CO dan $2 \cdot 44 = 88$ g de $\text{CO}_2$ : $m(\text{CO}_2) = 27\ \text{g} \cdot \frac{88\ \text{g}}{56\ \text{g}} \approx 42{,}4\ \text{g}$