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Catálisis

1835
  • Jöns Jacob Berzelius
Chemist conducting catalysis experiment in historical laboratory setting.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Catalysis is the process of increasing the rate of a chemical reaction by adding a substance known as a catalizador. Catalysts are not consumed in the reaction and remain unchanged. They work by providing an alternative reaction pathway with a lower activation energy ([latex]E_a[/latex]), thereby accelerating both the forward and reverse reactions without altering the overall thermodynamics ([latex]\Delta H[/latex]).

The fundamental principle of catalysis lies in its ability to alter the kinetics of a chemical reaction without affecting its thermodynamics. A catalizador introduces a new reaction mechanism, often involving one or more intermediate steps. For a reaction A + B → C, a catalyst C’ might participate as follows: A + C’ → AC’ and then AC’ + B → C + C’. The catalyst C’ is regenerated at the end of the process. This alternative pathway has a lower transition state energy compared to the uncatalyzed reaction. The Arrhenius equation, [latex]k = Ae^{-E_a/(RT)}[/latex], shows that a lower activation energy ([latex]E_a[/latex]) leads to an exponential increase in the reaction rate constant (k). Importantly, the catalyst does not change the Gibbs free energy change ([latex]\Delta G[/latex]) or the equilibrium constant ([latex]K_{eq}[/latex]) of the reaction. It only affects the speed at which equilibrium is reached. This concept was first formally described by Jöns Jacob Berzelius in 1835, who observed that certain substances could accelerate reactions without being consumed, coining the term “catalysis” from Greek words meaning “to dissolve” or “to break down”.

Este principio se visualiza mediante diagramas de coordenadas de reacción, donde la vía catalizada muestra un pico de energía (estado de transición) más bajo que la no catalizada. Si bien la diferencia de energía total entre reactivos y productos permanece constante, la barrera energética a superar se reduce significativamente. Esto permite que una mayor proporción de moléculas de reactivo posea suficiente energía para reaccionar al colisionar, lo que resulta en una velocidad de reacción más rápida a una temperatura dada.

UNESCO Nomenclature: 2202
– Physical chemistry

Tipo

Proceso químico

Ruptura

Foundational

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • alchemical concepts of the philosopher’s stone
  • Observaciones de la fermentación por Louis Pasteur
  • Humphry Davy’s work on platinum’s effect on gas combustion
  • Descubrimiento del cloro por Carl Wilhelm Scheele, que más tarde se utilizó en reacciones catalizadas

Aplicaciones

  • síntesis química industrial (por ejemplo, amoníaco, ácido sulfúrico)
  • refinación de petróleo
  • producción de polímeros
  • control de la contaminación (convertidores catalíticos)
  • fabricación farmacéutica

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • materiales autorreparables con cápsulas catalizadoras integradas
  • Catalizadores inteligentes que se activan solo bajo condiciones específicas de luz o pH
  • catalytic systems for direct air capture of co2
  • Reactores catalíticos miniaturizados para síntesis química a demanda en el espacio
  • catalizadores diseñados mediante aprendizaje automático para descomponer contaminantes persistentes
  • Catalizadores biocompatibles para la síntesis in vivo de fármacos terapéuticos
  • superficies catalíticas que previenen la formación de biopelículas
  • catalizadores para convertir residuos plásticos directamente en productos químicos de alto valor
  • Catalizadores fotosensibles para la división del agua con energía solar
  • catalytic nanoparticles for targeted cancer therapy
Related to: catalysis, catalyst, activation energy, reaction rate, chemical kinetics, thermodynamics, reaction pathway, Jöns Jacob Berzelius, equilibrium, transition state.

Contexto histórico

Motor armature rotating in magnetic field illustrating back electromotive force in electromagnetism.

Fuerza contraelectromotriz (FEM)

As a motor's armature rotates, its conductors cut through the magnetic field, inducing a voltage according to Faraday's law of induction. This 'back-EMF' opposes the main voltage driving the motor. Its magnitude is directly proportional to the motor's rotational speed ([latex]\mathcal{E}_{back} \propto \omega[/latex]). This phenomenon is crucial for the self-regulation of motor speed and current draw.
19th-century laboratory setup demonstrating self-inductance in electric circuits.

Autoinducción

Self-inductance is the property of an electrical circuit whereby a change in the current flowing through it induces an electromotive force (EMF) in the circuit itself. This 'back EMF' opposes the change in current, as dictated by Lenz's law. The relationship is given by the formula [latex]mathcal{E}_L = -L frac{dI}{dt}[/latex], where L is the self-inductance, measured in Henries (H).
Laboratory setup demonstrating Lenz's Law with copper coil and galvanometer.

Lenz’s Law

La ley de Lenz establece la dirección de la fuerza electromotriz (FEM) inducida y la corriente resultante de la inducción electromagnética. Establece que la corriente inducida fluirá en una dirección que crea un campo magnético que se opone al cambio en el flujo magnético que la produjo. Este principio es una consecuencia de la conservación de la energía y se representa por el signo negativo en la ley de Faraday.

Catálisis

Early fuel cell apparatus by William Grove, showcasing electrochemical principles in physical chemistry.

Pila de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte directamente la energía química de un combustible, generalmente hidrógeno, y un agente oxidante, a menudo oxígeno, en electricidad. A diferencia de una batería, requiere un suministro externo continuo de combustible y oxidante para funcionar. Los componentes principales son un ánodo, un cátodo y un electrolito que los separa, facilitando el transporte de iones.
Demonstration of Joule heating in a vintage laboratory with electric appliances.

Calefacción Joule y energía eléctrica

Joule heating, or ohmic heating, is the phenomenon where heat is produced by an electric current passing through a conductor. The rate of heat generation, or power dissipated ([latex]P[/latex]), is given by Joule's first law, [latex]P = VI[/latex]. By combining this with Ohm's law, the power can be expressed as [latex]P = I^2 R[/latex] or [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].
Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

Energía interna y entalpía de un gas perfecto

For a perfect gas, the internal energy ([latex]U[/latex]) and enthalpy ([latex]H[/latex]) are functions of temperature only. Their changes are given by [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] and [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], where [latex]c_v[/latex] and [latex]c_p[/latex] are the specific heats at constant volume and pressure, respectively, and are assumed to be constant.
1831
1832
1834
1835
1838
1841
1845
1831
1831
1833
1834
1836
1839-01-01
1842
1847
Michael Faraday demuestra los principios del electromagnetismo en un laboratorio antiguo.

Ley de inducción de Faraday (forma integral)

This law states that the electromotive force (EMF, [latex]\mathcal{E}[/latex]) induced in any closed circuit is equal to the negative of the time rate of change of the magnetic flux ([latex]\Phi_B[/latex]) through the circuit. The mathematical expression is [latex]\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}[/latex]. This principle is the basis for electric generators, transformers, and inductors, describing the macroscopic effect of induction.
Electric generator apparatus demonstrating electromagnetic induction principles in electromagnetism.

Generador eléctrico

Un generador eléctrico es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica mediante inducción electromagnética. Su diseño básico consiste en una bobina de alambre que gira dentro de un campo magnético (o un imán que gira dentro de una bobina). Esta rotación continua altera el flujo magnético que pasa por la bobina, induciendo una fuerza electromotriz (FEM) y una corriente alternas, según lo descrito por la ley de Faraday.
Study room with Hamilton's equations, quills, and parchment, representing Hamiltonian mechanics in physics.

Mecánica hamiltoniana

A reformulation of classical mechanics that uses generalized coordinates and their conjugate momenta. It is based on the Hamiltonian function, [latex]H(q, p, t)[/latex], representing the system's total energy. The dynamics are described by Hamilton's equations: [latex]\dot{q}_i = \frac{\partial H}{\partial p_i}[/latex] and [latex]\dot{p}_i = -\frac{\partial H}{\partial q_i}[/latex]. This framework is central to quantum mechanics and statistical mechanics.
Thermoelectric cooler demonstrating Peltier effect in a vintage laboratory setting.

Efecto Peltier

The Peltier effect is the presence of heating or cooling at an electrified junction of two different conductors. When a direct current flows through a junction between two dissimilar materials, heat is either emitted or absorbed at the junction, depending on the direction of the current. The rate of heat transfer is proportional to the current ([latex]Q = \Pi \cdot I[/latex]).
Daniell cell with copper and zinc electrodes in electrochemistry laboratory setup.

Operación de la célula Daniell

Una mejora de la pila voltaica, la celda Daniell consta de un electrodo de cobre en una solución de sulfato de cobre(II) y un electrodo de zinc en una solución de sulfato de zinc, separados por una barrera porosa. Este diseño de dos fluidos evita la acumulación de hidrógeno (polarización) en el electrodo de cobre, lo que resulta en una fuente de voltaje mucho más estable y fiable durante más tiempo.
Solar panel installation demonstrating the photovoltaic effect in solid state physics.

El efecto fotovoltaico

El efecto fotovoltaico es la generación de voltaje y corriente eléctrica en un material al exponerlo a la luz. Es un fenómeno físico-químico. Una aplicación común es la célula solar, que utiliza este efecto para convertir la luz solar directamente en electricidad. El efecto se basa en que los fotones de luz excitan a los electrones a un estado de mayor energía.
19th century laboratory with thermodynamic instruments and Mayer's relation equations.

Mayer’s Relation (thermodynamics)

Mayer's relation connects the specific heats of a perfect gas to the specific gas constant ([latex]R_s[/latex]). The relation is [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. For molar specific heats ([latex]C_p[/latex] and [latex]C_v[/latex]), the relation is [latex]C_p - C_v = R[/latex], where [latex]R[/latex] is the universal gas constant. This shows that [latex]c_p[/latex] is always greater than [latex]c_v[/latex].
19th-century laboratory with physicists studying energy conservation principles.

Conservación de energía

A fundamental principle stating that the total energy of an isolated system remains constant over time. Energy can neither be created nor destroyed, only transformed from one form to another, such as from potential to kinetic energy. In classical mechanics, for systems with only conservative forces, the total mechanical energy [latex]E = T + V[/latex] is conserved.

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

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