Aula 7 – Catalise

Autor: Gabriel Renato

Introdução

Catálise é um processo, que pode ser natural ou artificial, em que uma substância, chamada de catalisador, acelera a velocidade da reação, por mudar o caminho de ocorrência desta. O catalisador nesse processo gera um novo mecanismo para a reação, característico pela menor energia de ativação. Apesar disso, o catalisador não influencia no equilíbrio por catalisar igualmente as reações inversa e direta.

A principal característica de um catalisador se refere a seu estado no sistema. Podem ser homogêneos quando estão na mesma fase que os reagentes, assim como podem ser heterogêneos quando encontram-se em uma fase diferente.

Catalisadores possuem dois mecanismos principais para realizar o efeito que produzem. No primeiro deles eles participam de reações, mas nunca são expressos como reagentes ou produtos da equação global, eles reagem com os reagentes iniciais de modo a produzir uma reação mais rápida que a original, produzindo um intermediário, que assim como ele são consumidos, logo no momento da soma das equações, eles se anulam.

O segundo tipo de catálise é a catálise por adsorção, em que as moléculas se prendem ao catalisador sólido com sítios ativos, valências em aberto que permitem novas ligações para cada átomo da superfície cristalina. Deste modo, se houver a aproximação de uma molécula com afinidade eletrônica ao sólido, a fixação por meio de adsorção pode ocorrer. Com a adsorção do reagente, existem dois conceituados mecanismos para a catálise. No primeiro deles, de Langmuir-Hinshelwood, os reagentes estão adsorvidos e reagem nesse estado, desprendendo-se como produtos. No segundo, de Eley-Rideal, apenas um está adsorvido, reagindo com uma molécula livre, assim o produto é gerado no estado de adsorção e posteriormente depreende-se da superfície sólida.

Nas próximas duas sessões, estão dispostas informações de duas das maiores contribuições práticas dos catalisadores.

Catalisadores Industriais

Industrialmente, um dos principais usos dos catalisadores estão nos conversores catalíticos de automóveis, que reduzem a poluição ao catalisar reações de oxidação de compostos de carbono em dióxido de carbono ($CO_2$) e reações de redução de óxidos de nitrogênio ($NO_X$) em nitrogênio.

As enzimas, catalisadores naturais

Na biologia, os catalisadores estão presentes, sobretudo, em forma de proteínas nas chamadas enzimas. Nestas, os sítios ativos conectam-se aos substratos das moléculas das quais os catalisadores irão agir sobre, onde ocorre um mecanismo de ajuste induzido, em que o sítio altera seu formato para se adequar ao substrato.

Acerca da cinética das reações catalisadas por enzimas, podem ocorrer dois cenários. A velocidade cresce se a concentração de substrato cresce de um ponto inicial baixo, ou a velocidade independe do substrato e se altera apenas pela enzima se o ponto inicial da concentração do substrato for alto.

Modelo de Michaelis-Menten

O modelo explica a ação enzimática de modo em que possui-se uma enzima (E) e um substrato (S). A reação entre eles, $E+S \rightleftharpoons ES$, vai possuir cinética de segunda ordem $v = k_1'[ES]$. A reação que gera o produto,  $ES \rightarrow E+produto$, também é de primeira ordem e possui velocidade $v = k_2[ES]$. Com base nesses dados, os pesquisadores desenvolveram a velocidade de formação do produto, unindo as etapas e definindo uma constante, a constante de Michaelis.

$v=\frac{k_2[E]_0[S]}{K_M+[S]}$

$v=\frac{k_2[E]_0[S]}{K_M+[S]}$

Resumo

Na sequência, encontra-se disponível um infográfico acerca do conteúdo deste material, resumindo a Catálise.