Catálisis y Dependencia de la Temperatura

Las velocidades de reacción aumentan drásticamente con la temperatura de una manera capturada por la ecuación de Arrhenius, y los catalizadores aceleran las reacciones al proporcionar vías alternativas con barreras de activación más bajas.

Definition

La catálisis es la aceleración de una reacción por una sustancia que proporciona una vía de menor energía y se regenera sin cambios, y la dependencia de la temperatura se refiere a la relación de Arrhenius entre la constante de velocidad, la energía de activación y la temperatura.

Scope

Este tema cubre la dependencia de la temperatura de las constantes de velocidad a través de la ecuación de Arrhenius, la energía de activación y el factor preexponencial, y su interpretación molecular mediante las teorías de colisión y del estado de transición. Cubre la cinética de la catálisis: cómo los catalizadores disminuyen la barrera de activación sin consumirse, la catálisis homogénea y heterogénea, los mecanismos de superficie de Langmuir-Hinshelwood y Eley-Rideal, y la catálisis enzimática a través del esquema de Michaelis-Menten. La teoría detallada del complejo activado y las leyes de velocidad subyacentes se tratan en temas relacionados.

Core questions

• ¿Cómo relaciona la ecuación de Arrhenius la constante de velocidad con la temperatura y la energía de activación?
• ¿Cómo aumenta un catalizador la velocidad sin consumirse ni desplazar el equilibrio?
• ¿Cómo describen los mecanismos de Langmuir-Hinshelwood y Eley-Rideal la catálisis de superficie?
• ¿Cómo explica el esquema de Michaelis-Menten la cinética enzimática y la saturación?

Key concepts

• Ecuación de Arrhenius y factor preexponencial
• Energía de activación
• Catálisis homogénea y heterogénea
• Mecanismos de Langmuir-Hinshelwood y Eley-Rideal
• Cinética enzimática de Michaelis-Menten

Key theories

Ecuación de Arrhenius

La constante de velocidad depende exponencialmente de la relación negativa entre la energía de activación y la energía térmica, por lo que un gráfico del logaritmo de la constante de velocidad frente a la temperatura inversa produce la energía de activación a partir de su pendiente.

Cinética enzimática de Michaelis-Menten

Una enzima une el sustrato en un rápido preequilibrio para formar un complejo que se convierte en producto, dando una velocidad que aumenta con la concentración del sustrato y se satura a una velocidad máxima, caracterizada por la constante de Michaelis.

Clinical relevance

Estas ideas sustentan la catálisis heterogénea industrial, como la síntesis de amoníaco y los convertidores catalíticos, el control de la temperatura y la estabilidad de los procesos químicos y los materiales almacenados, y el análisis cuantitativo de las enzimas que hace que la catálisis sea central para la bioquímica y la acción de los fármacos.

History

Berzelius nombró la catálisis en 1835; Arrhenius formuló la ley de la temperatura de las velocidades en 1889, y principios del siglo XX vio la cinética de superficie de Langmuir y el tratamiento de Michaelis-Menten de 1913 sobre las enzimas, estableciendo la catálisis como una rama cuantitativa de la cinética.

Key figures

• Svante Arrhenius
• Jons Jacob Berzelius
• Leonor Michaelis

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

¿Se consume un catalizador en una reacción?

No. Un catalizador participa en el mecanismo, pero se regenera al final del ciclo catalítico, por lo que, en principio, una pequeña cantidad puede transformar una gran cantidad de reactivo, aunque los catalizadores reales pueden degradarse o envenenarse con el tiempo.

¿Por qué el aumento de la temperatura suele acelerar las reacciones de forma tan drástica?

La fracción de moléculas con suficiente energía para cruzar la barrera de activación crece exponencialmente con la temperatura, por lo que incluso un aumento modesto de la temperatura puede multiplicar la velocidad, razón por la cual muchas reacciones duplican aproximadamente su velocidad por cada aumento de diez grados.