Posgrado
  1. Química Física  1.1. Termodinámica  1.1.1. Leyes de la Termodinámica  1.1.2. Entalpía y capacidad calorífica  1.1.3. Entropía y energía libre  1.1.4. Equilibrio de Fase  1.1.5. Termodinámica estadística  1.1.6. Ciclo termodinámico  1.1.7. Fugacidad y actividad  1.2. Química Cuántica  1.2.1. Principios de la mecánica cuántica  1.2.2. Ecuación de Schrödinger  1.2.3. Partícula en una caja  1.2.4. Operadores y valores propios  1.2.5. Orbitales atómicos  1.2.6. Teoría de orbitales moleculares  1.2.7. Teoría de perturbaciones  1.2.8. Teoría del enlace de valencia  1.2.9. Hibridación y enlace químico  1.3. Cinética química  1.3.1. Leyes de velocidad y mecanismos de reacción  1.3.2. Teoría de colisiones  1.3.3. Teoría del estado de transición  1.3.4. Cinética Enzimática  1.3.5. Reacciones en cadena y polimerización  1.3.6. Reacciones fotoquímicas  1.4. Mecánica estadística  1.4.1. Función de partición  1.4.2. Funciones de distribución molecular  1.4.3. Distribución de Boltzmann  1.4.4. Estadísticas de Bose–Einstein y Fermi–Dirac  1.5. Espectroscopía  1.5.1. Espectroscopía Rotacional  1.5.2. Espectroscopia Vibracional  1.5.3. Espectroscopía Electrónica  1.5.4. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear  1.5.5. Espectrometría de Masas  1.5.6. Espectroscopía Raman  1.5.7. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  1.6. Química de superficies y coloides  1.6.1. Isoterma de absorción  1.6.2. Tensión superficial y mojado  1.6.3. Estabilidad Coloidal  1.6.4. Catalisis  1.6.5. Emulsiones y micelas  1.7. Electroquímica  1.7.1. Ecuación de Nernst  1.7.2. Células electroquímicas  1.7.3. Conductividad y movilidad  1.7.4. Guerra  1.7.5. Celdas de combustible  1.7.6. Electrólisis
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones pericíclicas  2.2. Espectroscopia y determinación estructural  2.2.1. Espectroscopía UV-Vis  2.2.2. Espectroscopia IR  2.2.3. Espectroscopía de RMN  2.2.4. Espectrometría de Masa  2.2.5. Cristalografía de rayos X  2.3. Estereoscópico  2.3.1. Quiralidad y actividad óptica  2.3.2. Análisis estructural  2.3.3. Isomería geométrica  2.3.4. Estereoquímica Dinámica  2.4. Química Organometálica  2.4.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.4.2. Reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio  2.4.3. Complejos de metales de transición  2.4.4. Enlace metal-carbono  2.5. Química de polímeros  2.5.1. Mecanismo de polimerización  2.5.2. Características de los Polímeros  2.5.3. Polímero Biodegradable  2.5.4. Polímero conductor  2.5.5. Polímeros supramoleculares  2.6. Química medicinal  2.6.1. Diseño y desarrollo de fármacos  2.6.2. Farmacocinética y farmacodinámica  2.6.3. Relaciones estructura-actividad  2.6.4. Acoplamiento molecular y selección de fármacos
  3. Química inorgánica  3.1. Química de coordinación  3.1.1. Teoría del campo cristalino  3.1.2. Teoría del campo de ligandos  3.1.3. Serie espectroquímica  3.1.4. Quelación y estabilidad  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalysis por complejos organometálicos  3.2.3. Metalocenos  3.3. Química bioinorgánica  3.3.1. Metaloproteínas y enzimas  3.3.2. El rol de los metales en los sistemas biológicos  3.3.3. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  3.4. Química del estado sólido  3.4.1. Estructuras Cristalinas  3.4.2. Teoría de bandas de los sólidos  3.4.3. Superconductors  3.4.4. Defectos en el cristal  3.5. Lantánidos y Actínidos  3.5.1. Configuración electrónica en lantánidos y actínidos  3.5.2. Química de coordinación de los lantánidos  3.5.3. Propiedades Magnéticas de los Lantánidos
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Resolución  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.2. Técnicas Espectroscópicas  4.2.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.2.2. Difracción de rayos X  4.2.3. Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente  4.3. Métodos electroanalíticos  4.3.1. Potenciometría  4.3.2. Voltametría  4.3.3. Colometría  4.4. Espectrometría de masas  4.4.1. Técnica de Ionización  4.4.2. Patrón de Fragmentación  4.5. Chemometría  4.5.1. Análisis multidisciplinario  4.5.2. Aprendizaje Automático en Química
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.1.1. Force fields and energy minimization  5.1.2. Simulación de Monte Carlo en simulaciones de dinámica molecular  5.2. Métodos químicos cuánticos  5.2.1. Teoría de Hartree–Fock  5.2.2. Teoría del funcional de la densidad  5.2.3. Métodos semiempíricos  5.3. Diseño computacional de fármacos  5.3.1. Alineamiento Molecular  5.3.2. Modelado QSAR  5.3.3. Tamizaje Virtual
  6. Bioquímica  6.1. Enzyme Kinetics  6.1.1. Cinética de Michaelis-Menten  6.1.2. Mecanismo de inhibición  6.2. Metabolismo y Bioenergética  6.2.1. Glicólisis  6.2.2. Ciclo del ácido cítrico  6.2.3. Cadena de transporte de electrones  6.3. Biología Molecular  6.3.1. Replicación y reparación del ADN  6.3.2. La síntesis de proteínas  6.3.3. Regulación Génica  6.4. Bioquímica Estructural  6.4.1. Plegado de proteínas  6.4.2. Biofísica de Membranas
  7. Química Ambiental  7.1. Química Atmosférica  7.1.1. Gases de efecto invernadero  7.1.2. Agotamiento del ozono  7.1.3. Contaminantes del aire y humo  7.2. Química del Agua  7.2.1. pH y dureza del agua  7.2.2. Tratamiento de aguas residuales  7.2.3. Química Acuática  7.3. Química del Suelo  7.3.1. Contaminación por metales pesados  7.3.2. pH del Suelo y Amortiguación  7.3.3. Ciclo de nutrientes  7.4. Toxicología y Seguridad Química  7.4.1. Toxicocinética  7.4.2. Evaluación de Riesgos en Toxicología y Seguridad Química en Química Ambiental  7.4.3. Efectos de los contaminantes en el medio ambiente

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Catalisis


La catálisis es un concepto esencial en el campo de la química, particularmente en la química física, la química de superficies y la química coloidal. En términos más básicos, un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin ser consumida o modificada en el proceso. Esta idea es importante en muchos procesos industriales y en una amplia gama de estudios científicos.

El catalizador actúa proporcionando una vía o mecanismo de reacción alternativo que requiere menos energía de activación que la reacción no catalizada. La energía de activación es la energía mínima que debe suministrarse para que la reacción ocurra. Al reducir este umbral de energía, la presencia del catalizador permite que más moléculas de reactivo alcancen el estado de transición, facilitando el proceso de reacción.

Tipos de catalizadores

Los principales tipos de catalizadores incluyen catalizadores homogéneos, catalizadores heterogéneos y biocatalizadores.

Catalizador homogéneo

Los catalizadores homogéneos son catalizadores que existen en la misma fase que los reactivos, a menudo en una solución líquida. Un ejemplo de esto es el uso de ácidos disueltos en la esterificación de ácidos carboxílicos:

CH₃COOH + C₂H₅OH ⇌ CH₃COOC₂H₅ + H₂O

Aquí, el ácido sulfúrico (H₂SO₄) puede actuar como un catalizador homogéneo en la reacción entre el ácido acético (CH₃COOH) y el etanol (C₂H₅OH) para formar acetato de etilo (CH₃COOC₂H₅) y agua (H₂O).

Catalizadores heterogéneos

A diferencia de los catalizadores homogéneos, los catalizadores heterogéneos están en una fase diferente de los reactivos. Normalmente, estos son catalizadores sólidos que trabajan con reactivos gaseosos o líquidos. Una gran ventaja es que estos catalizadores a menudo pueden separarse fácilmente de los productos, lo que a menudo es más desafiante con los catalizadores homogéneos.

Un ejemplo de catálisis heterogénea es la producción de etano por hidrogenación de eteno usando un catalizador metálico sólido como el níquel:

C₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g)

En esta reacción, el eteno (C₂H₄) y el hidrógeno (H₂) son gases mientras que el catalizador es un metal sólido.

Biocatalizador

Los biocatalizadores son catalizadores que se derivan de fuentes biológicas, a menudo proteínas conocidas como enzimas. Las enzimas catalizan reacciones dentro de los sistemas biológicos y son altamente específicas, actuando sobre sustratos particulares.

Un ejemplo de catálisis enzimática es la descomposición del peróxido de hidrógeno (H₂O₂) por la enzima catalasa:

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

Esta reacción ocurre para eliminar el peróxido de hidrógeno tóxico producido como subproducto de los procesos metabólicos en los organismos vivos.

Mecanismo de la catálisis

El proceso catalítico puede entenderse a través de un diagrama de coordenadas de reacción, que representa gráficamente los cambios de energía que ocurren durante una reacción. Aquí hay una ilustración básica:

no inducida inducida Estado de transición Progreso de la reacción energía

En este diagrama, la ruta azul representa el perfil energético de una reacción no catalizada con un pico de energía alta, mientras que la ruta roja representa una reacción catalizada con un pico de energía baja. Al reducir la energía de activación, los catalizadores facilitan que los reactivos crucen la barrera energética, alcanzando más eficientemente el estado de transición.

Aplicaciones de la catálisis

La catálisis es importante en una variedad de aplicaciones industriales y ambientales. Juega un papel integral en la producción de productos químicos, productos farmacéuticos y combustibles, además de contribuir a la protección ambiental al permitir la degradación de contaminantes.

Procesos químicos industriales

El proceso Haber-Bosch es un proceso industrial fundamental para la síntesis de amoníaco a partir de gases de nitrógeno e hidrógeno. Esta reacción es catalizada por hierro:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

El amoníaco producido es un ingrediente importante para fertilizantes, y el proceso incrementa la productividad agrícola en todo el mundo.

Refinación del petróleo

Los catalizadores se utilizan ampliamente en las reacciones de craqueo en las refinerías de petróleo. Los catalizadores de zeolita ayudan a descomponer grandes moléculas de hidrocarburos en piezas más pequeñas y útiles, como la gasolina:

C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆

Este proceso es vital para la conversión de petróleo crudo en combustibles y otros productos petroquímicos esenciales para la vida cotidiana.

Catálisis ambiental

Los catalizadores juegan un papel importante en la reducción de la contaminación ambiental. Los convertidores catalíticos en automóviles reducen las emisiones de gases nocivos al convertirlos en sustancias menos tóxicas. Por ejemplo, catalizan la reacción:

2CO3 + O₂ → 2CO₂

Convirtiendo el gas venenoso monóxido de carbono en dióxido de carbono, que es menos perjudicial para los humanos.

Química de superficie y coloidal en la catálisis

La química de superficies es integral para la catálisis, especialmente en la catálisis heterogénea. La efectividad de un catalizador sólido depende en gran medida de sus propiedades superficiales, como el área de superficie, la porosidad y la presencia de sitios activos.

Área de superficie y sitios activos

En la catálisis heterogénea, el área de superficie disponible para la interacción con los reactivos es importante. Los catalizadores con alta área de superficie, como las nanopartículas, son más efectivos porque proporcionan más sitios activos para que ocurra la reacción. Los sitios activos son ubicaciones específicas en la superficie del catalizador donde los reactivos se adsorben y reaccionan, llevando a la transformación en productos.

La adsorción de reactivos en la superficie del catalizador puede describirse como fisiosorción (fuerzas físicas de atracción débiles) o quimisorción (enlace químico fuerte). La quimisorción es a menudo más importante en las reacciones catalíticas porque permite una mayor interacción entre el catalizador y los reactivos, facilitando la ruptura y formación de enlaces.

Coloides y catálisis

Los coloides o dispersiones coloidales son mezclas en las que las partículas finas se distribuyen en un medio continuo sin aglomerarse. Los catalizadores coloidales implican partículas sólidas dispersas en líquidos, a veces llamados "catálisis coloidal". Estos tienen propiedades únicas beneficiosas en catálisis, como una gran área de superficie activa relativa a su volumen.

Un ejemplo es el uso de platino coloidal en la hidrogenación de compuestos nitro. Las pequeñas partículas coloidales reaccionan eficazmente con los reactivos, acelerando el proceso de conversión debido a su área de superficie aumentada.

Conclusión

La catálisis es fundamental en la ciencia química, con profundas implicancias tanto para la investigación científica como para aplicaciones prácticas. Comprender los diferentes mecanismos y tipos de catalizadores, así como sus aplicaciones industriales y ambientales, demuestra cuán integral es la catálisis para la sociedad moderna. Los campos interconectados de la química de superficies y la química coloidal destacan aún más la naturaleza sofisticada de los procesos catalíticos, proporcionando oportunidades para la innovación en la solución de desafíos que van desde la producción de energía hasta la protección ambiental.


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