CATÁLISIS AMBIENTAL

 La extraordinaria importancia de la CATÁLISIS en el control medioambiental se pone de manifiesto en su intervención para paliar tres amenazas mundiales para la conservación de nuestro planeta, como lo son:

• La lluvia ácida,
• Efecto invernadero y
• El crecimiento imparable de los vehículos de transporte. 

         Asimismo, es una herramienta importante en las síntesis de productos en Química Fina y Farmacéutica, coadyuvante en el diseño de procesos "VERDES" más respetuosos con el medio ambiente.

            Por otra parte, la introducción a este tema de carácter multidisciplinario permite integrar a la catálisis ambiental, como elemento de cohesión basado en la investigación, ya que los típicos incluidos en ella, tratan de integrar conocimientos de Termodinámica, Cinética Química, Diseño de Reactores, Mecánica de Fluidos, Transmisión de Calor, Análisis Instrumental y otros, que buscan interrelacionarse para proponer medidas alternas, que satisfagan las necesidades de la sociedad actual, buscando siempre, ofrecer una mejor calidad de vida.

 LLUVIA ÁCIDA

            La lluvia ácida presenta un pH menor (más ácido) que la lluvia normal o limpia. Constituye un serio problema ambiental ocasionado principalmente por la contaminación de hidrocarburos fósiles. Estos contaminantes son liberados al quemar carbón y aceite cuando se usan como combustible para producir calor, calefacción o movimiento (gasolina y diesel). El humo del cigarro es una fuente secundaria de esta contaminación, formada principalmente por dióxido de azufre (SO₂) y óxidos de nitrógeno (NO_x).  Las erupciones volcánicas y los géiseres contribuyen con una pequeña cantidad de estos contaminantes a la atmósfera.

            La lluvia ácida se forma generalmente en las nubes altas donde el SO₂  y los NO_x  reaccionan con el agua y el oxígeno, formando una solución diluida de ácido sulfúrico y ácido nítrico. La radiación solar aumenta la velocidad de esta reacción.

SO₃+H₂O --> H₂SO₄

                                                                            2NO₂+ bH₂0 --> HNO₃ + HNO₂         

EFECTO INVERNADERO

     El efecto invernadero es producido tanto de manera natural como de manera artificial (principalmente por la industrialización) debido al aumento de los gases invernaderos en la atmósfera.

     En 1974 los científicos Frank Rowland (estadounidense) y Mario Molina (mexicano) - ambos ganadores del premio Nobel de Química en 1995 - descubrieron la reducción del grosor en la capa de ozono, principal responsable en evitar la penetración de la radiación solar en la superficie terrestre. Actualmente la producción de los gases que provocan el Efecto Invernadero (gases de invernadero) ha aumentado debido a la intervención humana. Estos gases (principalmente el dióxido de carbono - CO₂) se encargan de absorber y retener parte de la energía emitida por el Sol, impidiendo que los días sean demasiado calurosos o las noches demasiado frías; el aumento en la emisión de estos gases provoca grandes cambios en el clima a nivel mundial (haciéndolo cada vez más impredecible), sufriendo alteraciones en las temperaturas regionales, en los regímenes de lluvia, en la agricultura, incremento en la desertificación y la descongelación de los casquetes polares, elevando el nivel del mar y causando inundaciones en las zonas costeras y continentales en todo el mundo.

¿Qué podemos hacer para contribuir a disminuir esta situación?

  Algunas de las acciones que podemos realizar son:

• Internalizar la concientización, educación y divulgación ecológica en cada uno de nosotros.
• No malgastar electricidad, agua, gas, y en general todos los recursos naturales y no renovables.
• Separar los desechos sólidos según su tipo (vidrio, papel, aluminios, etc.) para facilitar su recolección y reciclaje.
• Uso de materiales, artefactos, y recursos ecológicos tales como: papel reciclado, vehículos que funcionen con energía no contaminantes, uso de energía solar, eólica, reemplazo de bombillos tradicionales (luz amarilla) por bombillos ahorradores de energía (luz blanca), etc.
• No usar productos contaminantes, tales como los aerosoles que contienen CFC, detergentes, etc.
• Exigir y conocer los planes ecológicos de los gobiernos, y los planes de "Desarrollo Sustentable".

CRECIMIENTO IMPARABLE DE LOS VEHÍCULOS DE TRANSPORTE.

            En Latinoamérica los procesos de urbanización y crecimiento de las ciudades se han acelerado significativamente desde los años 80s. Este crecimiento, acompañado de una creciente demanda de recursos naturales (agua, tierra, energía, aire), ha afectado la calidad ambiental de los centros urbanos y sus entornos.

           Los contaminantes atmosféricos emitidos por vehículos automotores afectan de manera definitiva los sistemas respiratorios y cardiovasculares de la población, particularmente en los niños y los ancianos, ocasionando enfermedades y hasta la muerte prematura. Aunque esto ha sido comprobado principalmente en grandes áreas metropolitanas, en algunas ciudades como son las capitales de los países Latinoamericanos los problemas de salud debido a las altas concentraciones de contaminantes de fuentes móviles ya han sido reportados por los gobiernos como un problema de salud pública. 

            Las fuentes fijas de contaminación atmosférica de industrias y otras operaciones públicas y del sector privado se suman a los impactos sobre la salud y el ambiente. Estas incluyen grandes termoeléctricas, fundiciones, refinerías e instalaciones industriales instalaciones que generan contaminantes como son SO₂, PM₁₀ PST y CO₂. A esto se suman las emanaciones sin control de numerosos micros, pequeñas y medianas empresas (MiPyMEs), la quema de biomasa y basura, los incendios en confinamientos, el polvo de calles, construcción y mantenimiento de caminos, y el uso de combustibles contaminantes en el hogar.

             Gestión del transporte: La accesibilidad a los medios de transporte y la movilidad de los ciudadanos en los centros urbanos están relacionadas no solamente con la productividad económica, sino que también con la calidad de vida. En las ciudades Latinoamericanas el transporte público es primordial para el funcionamiento adecuado de las mismas y para ofrecer condiciones equitativas de accesibilidad a la mayor parte de la población que no utiliza vehículos particulares. Como se menciona anteriormente, uno de los factores principales en la contaminación del aire, es la flota vehicular; en este punto radica la importancia de la gestión del transporte y sus interrelaciones con la salud pública. En consecuencia, las ciudades de la región enfrentan el reto de ofrecer a sus ciudadanos sistemas de transporte económicos.

Para apreciar mayor información sobre los roles de la catálisis visite los siguientes sitios:

http://www.sma.df.gob.mx/simat/Masters/lluvia/presentacion.swf

http://www.youtube.com/watch?v=QD-18YqEPVM

             En química, el proceso de Haber - Bosch es la reacción de nitrógeno e hidrógeno gaseosos para producir amoníaco. La importancia de la reacción radica en la dificultad de producir amoníaco a un nivel industrial. Aunque alrededor del 78,1% del aire que nos rodea es nitrógeno, es relativamente inerte por los resistentes enlaces triples que mantienen las moléculas unidas. No fue sino hasta los primeros años del siglo XX cuando este proceso fue desarrollado para obtener nitrógeno del aire y producir amoníaco, que al oxidarse forma nitritos y nitratos. Éstos son esenciales en los fertilizantes.

         Como la reacción natural es muy lenta, se acelera con un catalizador de hierro (Fe³⁺), en el que óxidos de aluminio (Al₂O₃) y potasio (K₂O) también se utilizan. Otros factores que aceleran la reacción son que se opera bajo condiciones de 200 atmósferas y 450-500°C, resultando en un rendimiento del 10-20%.

N₂(g) + 3H₂(g) ========== 2 NH₃(g) + ΔH ...(1) 

       ΔH representa el calor generado, también llamado entalpía, y equivale a -92,4 kj/mol. Como libera calor, la reacción es exotérmica.  El proceso fue patentado por Fritz Haber. En 1910, Carl Bosch comercializó el proceso y aseguró aún más patentes. Haber y Bosch fueron galardonados con el Nobel de Química en 1918 y 1931 respectivamente, por sus trabajos y desarrollos en la aplicación de la tecnología en altas presiones y temperaturas. El amoníaco fue producido utilizando el proceso Haber (a un nivel industrial) durante la I Guerra Mundial para su uso en explosivos. Esto ocurrió cuando el abasto de Chile estaba controlado casi en un 100% por los británicos.

            Dentro de los aspectos económicos y ambientales, el proceso Haber produce más de 100 millones de toneladas de fertilizante de nitrógeno al año. El 0,75% del consumo total de energía mundial en un año se destina a este proceso. Los fertilizantes que se obtienen son responsables por el sustento de más de un tercio de la población mundial, así como varios problemas ecológicos.

• Catálisis enzimática

            En biología, los catalizadores más importantes son las enzimas, biomoléculas responsables de regular la velocidad de un gran número de reacciones en los seres vivos, incluyendo todo el metabolismo.

   (1.A)                                                             (1.B)

Fig. 1: Enzimas (1.A) / Estructura en 3D de un ADN polimerasa (1.B)

¿Que son las enzimas?

            Las enzimas son proteínas altamente especializadas que tienen como función la catálisis o regulación de la velocidad de las reacciones químicas que se llevan a cabo en los seres vivos.  Casi todas las reacciones químicas de las células son catalizadas por enzimas, con la particularidad de que cada enzima solo cataliza una reacción, por lo que existirían tantas  enzimas como reacciones, y no se consumen en el proceso. Los catalizadores no biológicos son inespecíficos. En una reacción catalizada por enzima (E), los reactivos se denomina sustratos (S), es decir la sustancia sobre la que actúa la enzima. El sustrato es modificado químicamente y se convierte en uno o más productos (P). Como esta reacción es reversible se expresa de la siguiente manera:

La enzima libre se encuentra en la misma forma química al comienzo y al final de la reacción.

 Clases de Enzimas:

         El nombre de las enzimas es el del sustrato + el sufijo: -asa. Los nombres de las enzimas revelan la especificidad de su función:

         1. Oxido-reductasas: catalizan reacciones de oxido-reducción, las que implican la ganancia (o reducción) o pérdida de electrones (u oxidación). Las más importantes son las deshidrogenasas y las oxidasas.

         2. Transferasas: transfieren grupos funcionales de una molécula a otra. Ej.: quinasas; transfieren fosfatos del ATP a otra molécula.

         3. Hidrolasas: rompen varios tipos de enlaces introduciendo radicales -H y -OH.

          4.  Liasas: adicionan grupos funcionales a los dobles enlaces.

          5.  Isomerasas: convierten los sustratos isómeros unos en otros.

          6. Ligasas o Sintasas: forman diversos tipos de enlaces aprovechando la energía de la ruptura del ATP. Ej.: polimerasas, descrita anteriormente (Fig. 1-B).

•  Catálisis Homogénea:

   Esta catálisis, tiene lugar cuando los reactivos y el catalizador se encuentran en la misma fase, sea líquida o gaseosa. En la catálisis homogénea se tiene un acceso más fácil al mecanismo de reacción y por consecuencia se puede dominar mejor el proceso catalítico correspondiente. Es importante resaltar, que en este tipo de catálisis predomina la ausencia de efectos de envenenamiento tan frecuentes, caso que es contrario, al aplicar la catálisis heterogénea, lo que obliga a tratamientos costosos de eliminación de impurezas. Finalmente, el último impulso que han dado los complejos organometálicos a la catálisis homogénea ha sido decisivo en su aplicación industrial a gran escala.

    Uno de los inconvenientes de la catálisis homogénea es la dificultad de separar el catalizador del medio reaccionante, lo que presenta un mayor costo que el de los procesos heterogéneos convencionales. Con base en esta inconveniencia se han intentado diseñar "catalizadores homogéneos soportados", en los cuales se desea inmovilizar el complejo metálico activo sobre un soporte como sílice, alúmina o carbón. Sin embargo en muchos casos esto no es posible, ya que la entidad catalítica activa no es el complejo inicialmente introducido a la reacción, sino una especie derivada de él. La catálisis homogénea en solución (fase líquida) ha sido objeto de numerosos estudios y dentro de ella la catálisis ácido-base tiene un lugar muy importante.

• Catálisis Ácido-Base                                                                                                               

            La catálisis ácido-base fue de los primeros fenómenos catalíticos observados por investigadores como Ostwald, Arrhenius, Brönsted, Euler, etc. La constatación de que la presencia de un ácido aceleraba u orientaba ciertas reacciones químicas fue el inicio para una serie de investigaciones realizadas a fines del siglo pasado e inicios de éste, que se tradujeron en una serie de numerosas aplicaciones industriales como la esterificación, la saponificación, la hidrólisis, la halogenación, la condensación, etc.

            En la catálisis ácido-base se agrupan todas las observaciones relacionadas con la presencia en el medio acuoso de algunas especies como protones (H⁺), oxhidrilos (OH^-), moléculas de ácido, etc. Cuando se disuelve un ácido como el clorhídrico (que es la base del muriático) en agua, se produce una disociación. En la cual la molécula de agua atrapa el átomo de hidrógeno del ácido (al cual llamamos protón por haber perdido un electrón a favor del cloro) produciéndose iones. Una situación equivalente se produce cuando ponemos en solución una base como hidróxido de sodio (sosa).  (NaOH).

• Catálisis Heterogénea

     En la catálisis heterogénea, una superficie sólida actúa como catalizador, mientras que las sustancias que reaccionan químicamente están en fase líquida o gaseosa. Este tipo de catálisis tiene una enorme importancia     tecnológica. Para comprender mejor este tipo de catálisis, se puede responder a la siguiente pregunta:

        ¿Qué tienen en común la oxidación de una chapa de hierro, la formación de hidrógeno (H₂) en el espacio interestelar, la producción artificial de fertilizantes y el catalizador que filtra los gases de escape de los automóviles modernos?

     Lo que tiene en común es que existe una reacción química sobre una superficie sólida, o que se conoce como catálisis heterogénea. Este tipo de catálisis tiene una enorme importancia en nuestra vida cotidiana, ya que el 90% de los procesos de fabricación de productos químicos en el mundo emplean la catálisis heterogénea en una forma u otra. Así, por ejemplo, se la utiliza ampliamente en la industria química para reducir la contaminación ambiental, o en la fabricación de amoníaco, que es un fertilizante imprescindible en la agricultura y, por lo tanto, en las industrias asociadas a ella como es la industria de alimentos.

      En los procesos industriales, la catálisis es de enorme importancia, ya que permite llevar a cabo las reacciones en tiempos mucho más cortos, con el consiguiente beneficio económico, Ej: El proceso industrial de gran relevancia: "Proceso de Haber-Bosch"

     Aunque los catalizadores no se consumen directamente en la reacción, sí que hay que tener en cuenta la posibilidad del envenenamiento de un catalizador: la reacción con una impureza que convierte el catalizador en otra sustancia (otro compuesto químico) sin actividad catalítica.

     La catálisis es el proceso a través del cual se incrementa la velocidad de una reacción química. El proceso de catálisis implica la presencia de una sustancia que, si bien es cierto, es parte del sistema en reacción, la misma se puede llevar a cabo sin la primera. Esta sustancia se llama catalizador.

    Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción, reaccionando, regenerándose y que puede ser recuperado al final de la reacción (el catalizador se fragmenta en pequeñas partículas para acelerar el proceso). Si retarda la reacción se llama inhibidor.

     Una reacción química (o cambio químico) es todo proceso químico en el que unas o más sustancias (reactivas o reactantes) sufren transformaciones químicas para convertirse en otra u otras (productos). Esas sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro. A la representación simbólica de las reacciones se les llama ecuaciones químicas.

     Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen de las condiciones bajo las que se da la reacción química. No obstante, tras un estudio cuidadoso se comprueba que, aunque los productos pueden variar según cambien las condiciones, determinadas cantidades permanecen constantes en cualquier reacción química. Estas cantidades constantes, las magnitudes conservadas, incluyen el número de cada tipo de átomo presente, la carga eléctrica y la masa total. Los tipos de reacciones inorgánicas son: Ácido-base (Neutralización), Combustión, Solubilización, Oxidorreducción y Precipitación.

      La catálisis se clasifica en función de la naturaleza química del medio de la reacción. A partir del número de fases presentes y de la química implicada es posible agrupar de acuerdo a su aplicación, en:

   1.  Catálisis enzimática                                                        

   2.  Catálisis homogénea

   3.  Catálisis ácido-base

   4. Catálisis heterogénea

      El catalizador, por definición, no cambia su concentración durante la reacción de catálisis (la reacción intermedia que reduce la energía de activación. Sin embargo, es posible que sí participe en la reacción global, y se habla entonces de una reacción autocatalítica.