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

Los catalizadores: aceleran la reacción sin gastarse

Objetivo: Al terminar, sabrás explicar que un catalizador acelera una reacción sin consumirse ni cambiar la cantidad de producto, y comprobarlo con la descomposición del agua oxigenada.

Explicación

¿Qué es un catalizador?

Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin gastarse: al terminar la reacción queda la misma cantidad de catalizador, sin cambios.

No es un reactivo ni un producto: por eso no se escribe a la izquierda ni a la derecha de la ecuación, sino encima de la flecha.
No cambia la cantidad de producto que se obtiene: solo hace que se obtenga antes.
Basta con una cantidad pequeña y se puede volver a usar.
Los catalizadores de los seres vivos se llaman enzimas.

Un ejemplo: el agua oxigenada

El agua oxigenada que se compra en la farmacia es una disolución de peróxido de hidrógeno, $\text{H}_2\text{O}_2$ . Se descompone en agua y oxígeno: $2\,\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$ Sin ayuda, esta reacción es muy lenta (tarda meses). Pero si añadimos un poco de dióxido de manganeso, $\text{MnO}_2$ , o un trozo de patata cruda o de hígado, se produce un burbujeo intenso de oxígeno en segundos: $2\,\text{H}_2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{MnO}_2} 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$ La patata y el hígado contienen una enzima, la catalasa, que hace el mismo papel que el $\text{MnO}_2$ . Nuestras células también la tienen: por eso el agua oxigenada hace espuma sobre una herida.

Cómo se reconoce el oxígeno: si acercamos a la boca del tubo una astilla con la punta en brasa (sin llama), la brasa se aviva o vuelve a encenderse.

Práctica: el catalizador del agua oxigenada

Material: 4 tubos de ensayo en una gradilla, agua oxigenada al 3 % (de farmacia), dióxido de manganeso, un trozo de patata cruda y otro de patata cocida, astilla de madera y mechero (los maneja el profesor). Seguridad: gafas; el dióxido de manganeso no se toca con las manos.

Echa 3 mL de agua oxigenada en cada tubo.
Tubo 1: no añadas nada. Tubo 2: una punta de espátula de $\text{MnO}_2$ . Tubo 3: un trocito de patata cruda. Tubo 4: un trocito de patata cocida.
Observa y compara el burbujeo. Acerca la astilla en brasa a la boca de los tubos que más burbujeen.
Anota tus observaciones en una tabla y escribe una conclusión.

Los inhibidores

Hay sustancias que hacen lo contrario: frenan las reacciones. Se llaman inhibidores. Por ejemplo, algunos conservantes y antioxidantes de los alimentos retrasan las reacciones que los estropean.

¿Cómo lo consigue?

El catalizador hace que la reacción siga otro camino (otro mecanismo) con una energía de activación menor: así, muchos más choques tienen la energía suficiente para ser eficaces. No cambia la energía de los reactivos ni la de los productos, de modo que la energía que se desprende o se absorbe en la reacción es la misma con catalizador y sin él.

Puntos clave

Un catalizador aumenta la velocidad de una reacción y se recupera intacto al final.
Se escribe encima de la flecha de la ecuación, porque no es reactivo ni producto.
No cambia la cantidad de producto: solo hace que se forme más deprisa.
Las enzimas son los catalizadores de los seres vivos (por ejemplo, la catalasa de la patata y el hígado).
El agua oxigenada se descompone en agua y oxígeno; con MnO₂ o con catalasa lo hace en segundos.

Errores frecuentes

ErrorEscribir el catalizador como reactivo o como producto en la ecuación.
Cómo corregirloVa encima de la flecha: al final de la reacción sigue estando igual que al principio.
ErrorPensar que un catalizador hace que se forme más cantidad de producto.
Cómo corregirloSolo acelera la reacción: con o sin catalizador, la misma cantidad de reactivo da la misma cantidad de producto.
ErrorCreer que el catalizador se gasta poco a poco, como un reactivo.
Cómo corregirloSi se filtra, se seca y se pesa al terminar, tiene la misma masa que al principio.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Los cuatro tubos de agua oxigenada experimental (práctica)

Un grupo hace la práctica y anota:

Tubo	Añadido	Observación
1	nada	casi no se ven burbujas
2	$\text{MnO}_2$	burbujeo muy intenso; la astilla en brasa se aviva
3	patata cruda	burbujeo intenso; la astilla se aviva
4	patata cocida	casi no se ven burbujas

a) ¿Qué gas se desprende? ¿Cómo lo sabes? b) ¿Qué papel tienen el $\text{MnO}_2$ y la patata cruda? c) ¿Por qué no funciona la patata cocida? d) ¿Para qué sirve el tubo 1?

Resolución

a) Oxígeno, $\text{O}_2$ : aviva la brasa de la astilla. Sale de la reacción $2\,\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$ . b) Son catalizadores: aceleran la descomposición del agua oxigenada. El $\text{MnO}_2$ es un catalizador inorgánico; la patata contiene una enzima, la catalasa. c) Al cocer la patata, el calor destruye la enzima y deja de funcionar como catalizador. d) Es el tubo de control: muestra lo que pasa sin catalizador, para poder comparar.

Ejemplo 2. Con catalizador y sin catalizador gráfico
Se descompone la misma cantidad de agua oxigenada en dos matraces, uno con $\text{MnO}_2$ y otro sin él, y se mide el volumen de oxígeno que se desprende. ¿Qué dos conclusiones se sacan de la gráfica?

Resolución
1. Con catalizador la reacción es mucho más rápida: la curva sube muy deprisa y en unos 4 min ya se han desprendido 50 mL; sin catalizador, a los 10 min solo hay 18 mL.
2. La cantidad final de oxígeno es la misma: la reacción con $\text{MnO}_2$ se detiene en 50 mL porque se ha gastado toda el agua oxigenada. La otra también llegaría a 50 mL, pero tardaría mucho más. El catalizador cambia lo rápido, no cuánto.

Ejercicios

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

1. Fácil
Di si es verdadero o falso y corrige las falsas: a) Un catalizador se gasta durante la reacción. b) Un catalizador hace que se obtenga más cantidad de producto. c) En una ecuación química, el catalizador se escribe encima de la flecha. d) Las enzimas son catalizadores de los seres vivos.

Ver solución
a) F. b) F. c) V. d) V.
a) Falso: al final de la reacción queda la misma cantidad de catalizador. b) Falso: se obtiene la misma cantidad de producto, pero más deprisa. c) Verdadero. d) Verdadero.
2. Media
En el laboratorio se añaden 0,50 g de dióxido de manganeso a un vaso con agua oxigenada. Cuando deja de burbujear, se filtra el líquido, se seca el sólido negro y se pesa: 0,50 g. a) ¿Qué demuestra este resultado? b) Escribe la ecuación de la reacción indicando el catalizador.

Ver solución
a) El MnO₂ no se ha gastado: es un catalizador. b) 2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂ con MnO₂ sobre la flecha.
a) La masa de $\text{MnO}_2$ es la misma antes y después (0,50 g): no se ha consumido. Ha acelerado la reacción sin gastarse, así que es un catalizador. b) $2\,\text{H}_2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{MnO}_2} 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$
3. Media
Si te echas agua oxigenada en una herida, se forma mucha espuma; en la piel sana casi no. Explica por qué.

Ver solución
En la herida hay catalasa (de las células dañadas y la sangre) que cataliza la descomposición del H₂O₂ en agua y oxígeno.
En la herida, el agua oxigenada entra en contacto con la sangre y con células dañadas, que contienen la enzima catalasa. Esta enzima cataliza la descomposición $2\,\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$ y el oxígeno forma la espuma. Sobre la piel sana casi no llega a las células, así que la reacción sigue siendo muy lenta.
4. Media
Clara repite la práctica con un trozo de hígado crudo y otro de hígado hervido. Predice qué observará en cada tubo y explícalo.
Ver solución
Hígado crudo: mucho burbujeo (catalasa). Hígado hervido: casi nada (el calor destruye la enzima).
- Hígado crudo: burbujeo intenso de oxígeno, porque contiene la enzima catalasa, que acelera la descomposición del agua oxigenada.
- Hígado hervido: casi no burbujea, porque al hervirlo el calor destruye la enzima y deja de actuar como catalizador.

Para practicar más

1. Fácil
a) Define catalizador y enzima. b) Escribe un ejemplo de cada uno.

Ver solución
a) Catalizador: acelera una reacción sin gastarse. Enzima: catalizador de los seres vivos. b) MnO₂; catalasa.
a) Catalizador: sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin consumirse. Enzima: catalizador fabricado por los seres vivos. b) Catalizador: el dióxido de manganeso en la descomposición del agua oxigenada. Enzima: la catalasa de la patata o del hígado (también valen la amilasa de la saliva u otras).
2. Media
En los mismos ejes, dibuja cómo cambia el volumen de oxígeno con el tiempo al descomponer la misma cantidad de agua oxigenada: a) con catalizador; b) sin catalizador. Se obtienen 40 mL de oxígeno en total y, con catalizador, la reacción termina en unos 3 min.
Ver solución
Con catalizador: sube rápido y se queda horizontal en 40 mL hacia los 3 min. Sin catalizador: sube despacio, muy por debajo, y tardaría mucho en llegar a 40 mL.
- Con catalizador: una curva que sale de (0, 0), sube muy inclinada y se hace horizontal en 40 mL a partir de unos 3 min.
- Sin catalizador: una curva que también sale de (0, 0) pero sube muy poco (casi recta y poco inclinada); al cabo de 10 min sigue muy por debajo de 40 mL. Si se esperara mucho tiempo, llegaría también a 40 mL, nunca más arriba.
3. Difícil
El agua oxigenada se descompone según $2\,\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$ . a) ¿Qué masa de oxígeno se obtiene al descomponer 6,8 g de peróxido de hidrógeno? b) ¿Cambiaría el resultado si se añade un catalizador? ¿Y el tiempo? Datos: H = 1 u; O = 16 u.

Ver solución
a) 3,2 g de O₂. b) La masa no cambia (3,2 g); el tiempo sí: se obtiene mucho antes.
a) Masas molares: $M(\text{H}_2\text{O}_2) = 2 \cdot 1 + 2 \cdot 16 = 34$ g/mol; $M(\text{O}_2) = 32$ g/mol. $n(\text{H}_2\text{O}_2) = \dfrac{6{,}8}{34} = 0{,}2$ mol. Proporción $\text{H}_2\text{O}_2 : \text{O}_2 = 2 : 1$ → $n(\text{O}_2) = 0{,}1$ mol → $m(\text{O}_2) = 0{,}1 \cdot 32 = 3{,}2$ g. (Comprobación con Lavoisier: se forman además 0,2 mol de agua, $0{,}2 \cdot 18 = 3{,}6$ g, y $3{,}2 + 3{,}6 = 6{,}8$ g. ✔) b) La masa no cambia: el catalizador no da más producto. Lo que cambia es el tiempo: con catalizador se obtienen los 3,2 g en segundos o minutos, en lugar de meses.
4. Media
El agua oxigenada de farmacia se vende en frascos opacos y tiene fecha de caducidad. Un frasco abierto hace meses apenas hace espuma en una herida. Explica estos tres hechos sabiendo que la luz y el calor aceleran la descomposición del peróxido de hidrógeno.
Ver solución
Se descompone lentamente en agua y oxígeno; la luz la acelera (frasco opaco); con el tiempo queda poco H₂O₂ (caducidad, poca espuma).
- El peróxido de hidrógeno se descompone lentamente en agua y oxígeno incluso sin catalizador: $2\,\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$ .
- La luz acelera esa descomposición: el frasco opaco la protege.
- Con el paso del tiempo queda cada vez menos $\text{H}_2\text{O}_2$ (sobre todo si el frasco está abierto o al calor): por eso caduca y un frasco viejo es casi agua y apenas hace espuma.