domingo, 23 de abril de 2017

7. Catálisis

Se entiende por catálisis al proceso en el cual se aumenta o se disminuye la velocidad de una reacción química, gracias a la participación de un catalizador, en el caso de la aceleración, o de un inhibidor, en el caso de una disminución.

Dentro de la catálisis se encuentran diferentes tipos, catálisis Homogénea, Heterogénea y enzimática, en la primera se encuentran los reactivos en una sola fase, y en la segunda cuentan con dos fases distintas, y por ultimo en la enzimática se lleva a cabo en seres vivos en un centro activo. A continuación se desarrollan mas a fondo.

7.1 Catálisis Homogénea
Este tipo de catálisis ocurre todo en la misma fase, normalmente es una disolución. Este tipo es muy efectivo, ya que el contacto entre los reactivos con el catalizador esta asegurado por la fase en la que se encuentran. A pesar de ser altamente efectiva se pueden presentar problemas al momento de separar el catalizador del producto.
PROBLEMAS
1. Una mezcla de 20% de ozono - 80% de aire a 15 atm y 95°C pasa a una velocidad de 1L/s a través de un reactor de flujo pistón. Bajo estas condiciones el ozono se descompone mediante la reacción homogénea 2O3➡3O2, -rA=kCO2^2, k=0.05L/mol/s
¿Qué tamaño de reactor se reuiqere para alcanzar 50% de desconposición?

2. La reacción homogénea en fase gaseosa A➡3R se ajusta a una cinética de segundo orden. Para un caudal de alimentación de 4 m^3 de A puro a 5 atm y 350°C se obtiene una conversión del 60% de la alimentación en un reactor experimental constituido por un tubo de 2.5 cm de diámetro y 2 metros de longitud. En una instalación comercial se han de tratar 320 m^3/h de una alimentación constituida por 50% de A y 50% de inertes, a 25 atm y 350°C para obtener una conversión una conversión del 80%. ¿Cuántos tubos se necesitan, de 2.5 cm de diámetro y 2 m de longitud? Supongase  flujo de pistón, desprecie la perdida de presión y admítase que el gas presenta comportamiento idea.


7.2 Catálisis Heterogénea
La catálisis heterogénea ocurre obviamente en dos fases, normalmente los reactivos suelen ser líquidos y el catalizador un sólido. A pesar de sonar mas complicada tiene una mayor ventaja, una de ellas es la separación del catalizador del producto, ya que este no cambia su estado físico. Sin embargo el contacto de las moléculas químicas sueltas con el catalizador no es sencillo. Una respuesta a este obstáculo es utilizar un solido con mayor superficie.
EJEMPLO
1. 


7.3 Adsorción y curvas de adsorción. Modelo Langmuir, Temkin y Freudlich
La adsorción es el proceso por el cual algunos átomos o moléculas en estado gaseoso, líquido o sólido son atrapados en una superficie.

Las curvas de adsorción, también llamadas isotermas de adsorción, describen el equilibrio presente de la adsorción de una superficie a temperatura constante. La curva representa la cantidad de sorbato adherido a la superficie como una función de la disolución presente.

El modelo de Langmuir tiene 4 suposiciones:
  1. La superficie es homogénea, 
  2. Tiene un número específico donde se puede adsorber una molécula, es decir, cuando todos los sitios están ocupados no es posible que continúe la adsorción (el sistema se satura), 
  3. El calor de adsorción es independiente del grado de recubrimiento y 
  4. Todos los sitios son equivalentes y la energía de las moléculas adsorbidas es independiente de la presencia de otras moléculas.
El modelo de Temkin tiene parámetros ajustables, y estudia la disminución de la entalpía molar de adsorción al aumentar el grado de recubrimiento es más probable que sea lineal que logarítmica.

El modelo de Freudlich es empleado para analizar la curva que relaciona la concentración de un soluto en la superficie de un adsorbente.
PROBLEMA
Los siguientes datos se obtuvieron a 70°C para la adsorción de equilibrio del n-hexano en partpiculas de gel de sílice
a) Determine que tan bien concuerdan los daros con la isoterla de Langmuir. Establezca los valores de las constantes Cm y Kc, por medio de los cuardo medio minimos de la forma linealizada.

7.4 Catálisis enzimática
Es catalogada como catálisis homogénea. La catálisis enzimática son reacciones catalizadas por enzimas, proteínas de masa molar grande, suele ser muy específica.
PROBLEMAS 
1. Una enzima específica actúa como catalizador en la fermentación de A. Halle el volumen del reactor de flujo requerido para el 95% de conversión de reactivo A. (Ca0=2mol/L) a una concentración dada de la enzima. La cinética de la fermentación a esta concentración de enzima viene dada por:
2. Una enzima E cataliza la fermentación del sustrato A (el reactivo), obteniéndose R. Halle el tamaño del reactor de mezcla completa requerido para el 95% de conversión de una corriente de alimentación (25L/min) de reactivo (2mol/L) y enzima. La cinética de la fermentación a esta concentración de enzima dada por:



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