Moléculas a reacción

Blog de divulgación del Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea

Catálisis (2). Más cosas sobre la energía y la catálisis

(José I. García Laureiro, ISQCH)

En el primer artículo de esta serie sobre la catálisis, se esbozó el papel de los catalizadores como agentes que modifican las necesidades energéticas (de activación) de una reacción. Hoy me gustaría profundizar un poco más en esta idea, ya que es central en todo proceso catalítico.

Un objeto masivo deformando el espacio-tiempo

Interpretación de la gravedad como una deformación del espacio-tiempo por un objeto masivo

Existen muchas maneras de representar una reacción química. Una de las más populares es imaginar una serie de bolitas, que son los átomos y las moléculas, agitándose y chocando entre sí, de forma que algunas se quedan pegadas y otras se separan. Pero hoy voy a proponer otra forma, mucho menos intuitiva, pero más útil, aprovechando una analogía muy utilizada, entre otros por Stephen Hawking, para describir el espacio-tiempo. Resulta que cuando Einstein propuso su Teoría General de la Relatividad, postuló que la atracción gravitatoria que provocan las masas se debe en realidad a que éstas deforman el espacio-tiempo, haciendo que las trayectorias de los objetos y la luz se curven en las cercanías de dichas  masas, tanto más cuanto más deformado esté el espacio-tiempo a su alrededor. La analogía para representar esta situación es la de una lámina de goma plana, sobre la que se disponen distintos objetos masivos. Cuanto más masa tenga el objeto, más se hundirá la lámina que lo sostiene, deformándose a su alrededor. Si ahora imaginamos un segundo objeto, por ejemplo una canica, rodando en línea recta sobre la misma lámina, cuando llegue a las proximidades de la zona de la lámina deformada su trayectoria se curvará, incluso pudiendo llegar a ser circular. En este caso, “orbitará” alrededor del objeto masivo. Si vamos un paso más allá e imaginamos que la lámina es invisible, entonces solo veremos un objeto pequeño que da vueltas alrededor de otro mayor: es lo que sucede con los planetas y sus satélites, o con el sol y los planetas.

QUÍMICA Y SUPERFICIES DE ENERGÍA

 

Superficie de energía de una reacción química

Superficie de energía potencial de una reacción química. Al pasar de un valle a otro, las moléculas sufren una transformación

¿Qué tiene que ver todo esto con la química? Pues bien, mucho más de lo que parece. La lámina de goma representa la energía potencial que hay en cada punto del espacio. En el caso de la gravedad, siempre es negativa, o sea, la lámina solo puede hundirse hacia abajo. Sin embargo, en el caso de las reacciones químicas, existen tanto energías negativas (que indican atracción por parte de las moléculas) como positivas (que indican repulsión). Así pues, podemos imaginar una reacción química como un paisaje montañoso en nuestra lámina de goma, con cordilleras que se elevan y profundos valles y mares, que se hunden. Sobre este paisaje se mueven las moléculas. Lógicamente, podremos encontrar la mayor parte de ellas hacinadas en los valles y mares más profundos, al igual que el agua siempre fluye hacia los puntos más bajos de un paisaje. Sin embargo, algunas moléculas aventureras viajarán a lo largo de nuestro paisaje sobre la lámina de goma, y lograrán pasar de un valle a otro más lejano. Durante el viaje sufrirán una transformación, de forma que cuando se acumulen en el segundo valle ya serán diferentes de como eran en el primero: habrán experimentado una transformación química.

Ahora bien, como sabe cualquiera que haya hecho senderismo o simplemente haya paseado por la montaña, cuando se quiere pasar de un valle a otro contiguo, normalmente no se toma el camino que pasa por la cima de una montaña, sino que se busca un collado, un paso que conecta los dos valles pasando por el punto a menor altura posible. Las moléculas se rigen por los mismos criterios de economía energética que nosotros y prefieren pasar de un valle a otro por el camino que atraviesa el collado: es lo que los químicos llamamos coordenada de reacción. El propio collado lo denominamos estado de transición. Cuanto más alto esté el collado (mayor energía tenga el estado de transición), más difícil será que la molécula pase de un valle a otro, es decir, más difícil será la reacción química en cuestión. Como ven, todo depende de la forma que tenga la superficie de energía. En este sentido, la Química es una ciencia muy superficial…

Collado conectando dos valles de montaña

Un collado es el camino natural de pasar de un valle a otro

Llegamos ahora al catalizador y al esfuerzo final de imaginación. Imaginen que una reacción química es muy difícil, porque los reactivos deben subir a un collado muy alto para llegar al valle de los productos. Ahora imaginen que un guía experto nos facilita el acceso a un túnel de autopista que pasa por debajo de las montañas, conectando los dos valles a mucha menor altura. Sin este guía, la barrera de peaje no se levanta y no podríamos pasar. Está claro que, con la ayuda de este guía, muchas más moléculas de reactivo podrán atravesar esas montañas para llegar a convertirse en productos. En esencia, esto es lo que hace un catalizador: modificar la posición y energía de los estados de transición, haciendo que la reacción transcurra mucho más fácilmente.

Acerca de isqch

El Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) es un instituto de investigación química mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza.

4 comentarios el “Catálisis (2). Más cosas sobre la energía y la catálisis

  1. Nieves Marquina
    19/10/2012

    Una explicación estupenda!!!

  2. Me encantan como lo explicas porque no es necesario saber química para entenderte

  3. http://google.com
    14/02/2013

    This is certainly the fourth blog, of yours I read
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    Más cosas sobre la energía y la catálisis
    Moléculas a reacción” the very best. Thank you
    -Francisco

  4. Jared
    02/03/2013

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    Más cosas sobre la energía y la catálisis | Moléculas a reacción” guildlogo ,
    extremely pleasurable and it was in fact a remarkable read.
    Thanks,Tim

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