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Tipos de catalisadores

O que é um catalisador? Inclue exemplos de enzimas, catalisadores ácido-base e catalisadores heterogêneos (ou de superfície).

Principais pontos

Um catalisador é uma substância que pode ser adicionada a uma reação para aumentar a sua velocidade sem ser consumida durante o processo.
Os catalisadores em geral aceleram uma reação pela diminuição da sua energia de ativação ou mudança do seu mecanismo.
Enzimas são proteínas que atuam como catalisadores em reações bioquímicas.
Catalisadores comuns incluem enzimas, catalisadores ácido-base, e catalisadores heterogêneos (ou de superfície).

Introdução: Um experimento mental de cinética

Seu cérebro usa a oxidação da glicose como combustível. Esta oxidação pode ser representada conforme mostra a reação abaixo:

C_{6} H_{12} O_{6} (s) + 6 O_{2} (g) \to 6 C O_{2} (g) + 6 H_{2} O (l) + c a l o r Δ G^{\circ} a 25^{\circ} C = - 2885 \frac{kJ}{mol}

Sem esta reação, aprender química seria muito mais difícil. Felizmente, a reação de oxidação é termodinamicamente favorável a

25^{\circ} C

uma vez que

Δ G^{\circ} < 0

Por que não tentamos? Encontre algum alimento que seja bom e doce, como uva-passa. Adicione um pouco de gás oxigênio (por exemplo, mantenha-o em contato com o ar). O que acontece?

Você nota uma liberação de energia térmica? A formação de água e um bom poof explosivo de gás de dióxido de carbono?

As possibilidades são de a uva-passa não fazer muito além de talvez secar um pouco mais. Mesmo sendo a oxidação da glicose uma reação termodinamicamente favorável, verifica-se que a velocidade de reação é muito muito muito lenta.

A velocidade de uma reação depende de fatores tais como:

Energia de ativação
Temperatura: se você aquecer as passas a uma temperatura alta o suficiente, elas provavelmente pegarão fogo e oxidarão

Esses dois fatores estão intimamente relacionados: o aumento da temperatura de reação aumenta a energia cinética das moléculas do reagente. Isso aumenta a probabilidade de que eles terão energia suficiente para superar a barreira de ativação.

Como seu corpo resolve esse problema para a oxidação de glicose? Afinal, a sua temperatura corporal não é muito maior do que

25^{\circ} C

, então, como essa reação está acontecendo continuamente em seu corpo?

Sistemas biológicos usam catalisadores para aumentar a taxa da reação de oxidação de tal forma que ela ocorra em uma taxa mais rápido em temperaturas mais baixas. Nesse artigo, nós falaremos mais sobre o que é um catalisador, e sobre os diferentes tipos de catalisadores.

O que é um catalisador?

Catalisadores são substâncias que podem ser adicionadas a uma reação para aumentar sua velocidade sem serem consumidas no processo. Eles geralmente agem através da

Diminuição da energia do estado de transição, o que consequentemente leva à diminuição da energia de ativação, e/ou
Mudança do mecanismo da reação. Isto também altera a natureza (e energia) do estado de transição.

Catalisadores estão por toda a parte! Muitos processos bioquímicos, como a oxidação da glicose, dependem fortemente de enzimas, proteínas que se comportam como catalisadores.

Outros tipos comuns de catalisadores incluem catalisadores ácido-base e catalisadores heterogêneos (ou de superfície).

Exemplo: anidrase carbônica

A enzima anidrase carbônica catalisa a reação reversível de dióxido de carbono

({CO}_{2})

e água

(H_{2} O)

para formar ácido carbônico. Quando a concentração de

{CO}_{2}

no corpo é elevada demais, a anidrase carbônica catalisa a seguinte reação:

{CO}_{2} + H_{2} O \to H_{2} {CO}_{3}

Regulando a concentração de ácido carbônico no sangue e nos tecidos, a enzima é capaz de manter o

pH

equilibrado no corpo.

A anidrase carbônica é uma das enzimas mais rápidas conhecidas, com taxas de reação entre

10^{4}

10^{6}

reações por segundo. Isto é ainda mais surpreendente em comparação com a reação não catalisada, que tem uma taxa de ~

0, 2

reações por segundo. Isso é um aumento de ~

10^{5} - 10^{7}

na taxa!!

O diagrama a seguir mostra um diagrama de energia para a reação entre o dióxido de carbono e água para formar ácido carbônico. A reação com o catalisador é indicada com uma linha azul, e a reação não catalisada é indicada com uma linha vermelha.

Diagrama de energia para a reação entre o dióxido de carbono e água para formar ácido carbônico. A adição de catalisador (linha azul) reduz a energia do estado de transição, mas não muda a $Δ H_{rxn}$ ‍ em comparação com a reação não catalisada (linha vermelha). Image de Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

O catalisador reduz a energia do estado de transição da reação. Como a energia de ativação é a diferença entre a energia do estado de transição e a energia dos reagentes, diminuir a energia do estado de transição diminui também a energia de ativação.

[Como é a taxa de reação relacionada com a energia de ativação?]

Note que as energias dos reagentes e produtos são as mesmas para as reações catalisada e não catalisada. Portanto, o total de energia liberada durante a reação,

Δ H_{rxn}

, não muda quando você adicionar a enzima. Isso enfatiza um ponto muito importante: a cinética de uma reação, ou seja, a taxa de reação não está diretamente relacionada com a termodinâmica da reação.

Catálise ácido-base

Em catálises ácidas, o catalisador é geralmente um íon

H^{+}

. Em catálises básicas, o catalisador geralmente é um íon

{OH}^{-}

Um exemplo de uma reação que pode ser catalisada por ácido é a hidrólise da sacarose, também conhecido como açúcar. A sacarose é uma combinação de dois açúcares simples (ou monossacarídeos), glicose e frutose. Com a adição de ácido ou uma enzima tal como sacarase, a sacarose pode ser dividida em glicose e frutose, como exibido pela seguinte série de reações:

No primeiro passo, a sacarose reage reversivelmente com

H^{+}

(em vermelho), para formar sacarose protonada. A sacarose protonada reage reversivelmente com a água (em azul) para formar

H^{+}

, uma molécula de glicose e uma molécula de frutose. A reação geral pode ser escrita como:

Sacarose + H_{2} O \overset{catalisador ácido}{\to} Glicose + Frutose

Como o

H^{+}

aparece tanto como reagente como produto em quantidades iguais, ele não é consumido durante a reação. Portanto, o catalisador não aparece no lado dos reagentes nem no lado dos produtos na reação geral.

Catálise heterogênea e de superfície

Catalisadores heterogêneos são aqueles que se encontram em uma fase diferente daquela em que estão os reagentes. Por exemplo, o catalisador pode se encontrar no estado sólido enquanto os reagentes estão na fase líquida ou gasosa.

[Como se chama um catalisador que está na mesma fase dos reagentes?]

Um exemplo de um catalisador heterogêneo é o conversor catalítico nos carros movidos a gasolina ou diesel. Os catalisadores contém elementos de transição catalíticos incorporados em um suporte de fase sólida. O catalisador em fase sólida entra em contato com os gases do sistema de escape do automóvel, aumentando a velocidade de reação para formar produtos menos tóxicos a partir dos poluentes na descarga do escapamento como monóxido de carbono e combustível não queimado.

O catalisador em fase sólida dentro de um conversor catalítico reduz as emissões de gases tóxicos, o combustível não queimado, e material particulado. O suporte sólido é concebido para ter uma elevada área superficial para aumentar a área de superfície do catalisador disponível para reagir com a descarga do escapamento. Image de Oak Ridge National Laboratory no flickr, CC BY-NC-ND 2.0

O conversor catalítico é também um exemplo de catálise de superfície, em que as moléculas do reagente são adsorvidos sobre uma superfície sólida antes de reagir com o catalisador para formar o produto. A velocidade de uma reação catalisada em superfície aumenta com a área superficial do catalisador em contato com os reagentes. Portanto, o suporte sólido no interior de um conversor catalítico é concebido para ter uma área de superfície muito elevada, por conseguinte, a aparência porosa de favo de mel.

Um outro exemplo de catálise heterogênea e catálise de superfície é o processo utilizado na fabricação de plásticos comuns (ou polímeros) como o polietileno. Estes catalisadores são chamados catalisadores de Ziegler-Natta, e são usados desde a fabricação de embalagens de plástico até potinhos de iogurte. Catalisadores de elementos de transição são embutidos em um suporte sólido antes de reagir com os materiais iniciais (também chamados de monômeros) em fase gasosa ou em solução.

Polietileno também é usado em articulações artificiais! A articulação arrendondada neste quadril artificial é colocada em um encaixe de polietileno, que aparece claramente no raio X. Imagem de Wikimedia Commons, domínio público

Mesmo que os reagentes estejam na fase gasosa, o polímero formado é geralmente um sólido. Eu imagino essa reação como algo semelhante a fazer pipoca: o grão de milho não estourado é o catalisador no suporte sólido. Os monômeros gasosos reagem para formar camadas de polímero sólido, que em algum momento se torna uma "pipoca" polimérica. Química

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é como mágica!

Resumo

Um catalisador é uma substância que pode ser adicionada a uma reação para aumentar a sua velocidade sem ser consumida no processo.
Os catalisadores em geral aceleram uma reação pela diminuição da sua energia de ativação ou mudança do seu mecanismo.
Enzimas** são proteínas que atuam como catalisadores em reações bioquímicas.
Tipos comuns de catalisadores incluem enzimas, catalisadores ácido-base e catalisadores heterogêneos (ou de superfície).

[Créditos e referências]

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