El Asesino Silencioso: Importancia de Procesos Catalíticos
- Ángel H.M.; Emmanuel R.I.
- Dec 23, 2019
- 5 min read
Julio, un hombre de familia, con 40 años trabaja en una tienda de ropa y en un restaurante de comida rápida. El salario mínimo ($7.25/hora) no le es suficiente para vivir, por tal razón necesita dos trabajos para poder cubrir todos sus gastos (gasolina, casa, agua, luz, etc). El auto que Julio utilizaba para moverse estaba teniendo problemas con el catalizador, pero por motivos del trabajo no había tenido tiempo para llevarlo a arreglar. Este día le tocaba el turno de cerrar la tienda, lo que es sinónimo de salir tarde. Al salir, Julio se sentía extremadamente cansado, pero creía tener la capacidad de guiar hasta su casa. Para evitar quedarse dormido, Julio decide viajar con las ventanas del auto abajo y con el radio encendido. Julio llegó a su casa, estacionó el auto en la marquesina, y antes de bajarse contestó unos mensajes que había recibido. Como estaba muy cansado, sin darse cuenta se quedó dormido con las ventanas abiertas, la marquesina cerrada, y el auto encendido. Julio nunca despertó de este sueño.
Lamentablemente, historias como la de Julio son bastante comunes…
Hemoglobina es la molécula en los glóbulos rojos que transporta oxígeno desde los pulmones a los tejidos de todo el cuerpo. Sin embargo, el monóxido de carbono (CO), que se encuentra en los humos producidos en la quema de combustible incompleta en automóviles o camiones, motores pequeños, estufas, o en chimeneas, se enlaza a la hemoglobina más fácil que el oxígeno. El oxígeno no puede desplazar las moléculas de CO para ingresar a la hemoglobina, y se produce una intoxicación. CO es conocido como el asesino silencioso, ya que no tiene olor ni color. Este es el responsable del sueño eterno de Julio.
Figura 1: (Izquierda) Molécula de Hemoglobina. (Derecha) Esquema molecular de uno de los cuatro sitios activos, representados con color amarillo a la izquierda, de hemoglobina enlazada a oxígeno. La capacidad de la hemoglobina para transportar oxígeno depende de la presencia de un grupo llamado hemo. El grupo hemo es responsable del distintivo color rojo de la sangre. El grupo hemo consiste en un componente orgánico y un átomo central de hierro.
Figura 2: Esquema molecular de uno de los sitios activos de hemoglobina enlazada a oxígeno (izquierda) y cuando CO desplaza al oxígeno (derecha).
Reacción de combustión:
Se le conoce como hidrocarburo a cualquier compuesto que solo contiene hidrógeno y carbono. Los hidrocarburos pueden convertirse en energía útil simplemente quemándose. Cuando quemas hidrocarburos en el aire, sus moléculas se separan. El carbono y el hidrógeno se combinan con el oxígeno del aire para formar dióxido de carbono, y agua, mientras que la energía que mantiene unidas las moléculas se libera como calor. Este proceso, que se llama combustión, libera enormes cantidades de energía. En el caso ideal, la reacción de combustión completa o perfecta ocurre cuando hay un exceso de oxígeno.
Esquema general de la reacción de combustión de hidrocarburos utilizando metano como ejemplo:
*Dato Curioso: El monóxido de carbono se forma debido a la combustión incompleta o imperfecta. Esta ocurre cuando no hay un exceso de oxígeno en el ambiente de la reacción. *
Monóxido de carbono es un producto no deseado de la reacción de combustión. Sin embargo, debido a la ineficiencia mecánica de los motores que utilizan combustible fósil para funcionar, este producto indeseado, se forma. Para minimizar la cantidad de CO que se genera los autos contienen un “convertidor catalítico”. Este se encuentra cerca del escape (“muffler”) del auto. La función de esta pieza es transformar o “convertir” el monóxido de carbono, creado por la combustión incompleta del motor, a dióxido de carbono. No obstante, convertir monóxido a dióxido de carbono no es tarea fácil.
La reacción para convertir de monóxido a dióxido de carbono debe de ser veloz, ya que las emisiones salen de manera muy rápida del escape. Sin embargo, esta transformación química ocurre de manera lenta. Para realizar dicha transformación de manera rápida, se necesita un agente que acelere la reacción, este agente es conocido como catalizador. Un catalizador es una sustancia o especie que aumenta la velocidad de la reacción mediante un mecanismo o “ruta” alterna. Construye el equivalente de una carretera pavimentada para evitar un camino de tierra lleno de hoyos. En adición, el catalizador posee una característica peculiar y es que el mismo no se consume al realizar dicha transformación, sino que se recicla. Una aleación entre paladio y platino (dos metales de transición sumamente costoso) es lo que generalmente se utiliza como el componente activo en los convertidores catalíticos. ¿Cómo funciona? Los productos de la reacción de combustión incompleta (e.g. monóxido de carbono) pasan a través de la cavidad del convertidor catalítico en la se encuentra cubierto por la mezcla de metales (el catalizador). Con suficiente calor (energía térmica) la superficie de estos metales provee las condiciones necesarias para catalizar la reacción y convertir el producto de monóxido de carbono a dióxido de carbono. Aunque el agente catalítico que se encuentra dentro de los convertidores no se consume al realizar la transformación de la reacción química, los mismo pueden menguar y hasta dejar de funcionar apropiadamente si no se tiene suficiente cuidado. Existen varios factores que pueden afectar el funcionamiento apropiado de los mismos tales como altas temperaturas, daños físicos, aditivos, entre otros.
Al Julio tener que dividir sus ingresos para poder cumplir con sus obligaciones (gasolina, casa, agua, luz, etc.) optaba por comprar la gasolina más económica. Este tipo de gasolina, generalmente, poseen altos niveles de aditivos que se adhieren a las paredes del convertidor catalítico bloqueando la interacción entre la superficie del catalítico y los productos de la reacción de combustión incompleta (e.g. monóxido de carbono). En el caso de Julio esto evitó que la catálisis de dicha reacción ocurriera.
Con la ayuda de un catalizador, las moléculas que tardarían horas en interactuar ahora pueden hacerlo en segundos. Poco a poco los catalizadores han transformado la lógica de la química sintética orgánica y han derribado barreras para el desarrollo de compuestos versátiles con enormes beneficios para la investigación académica, industrial y farmacéutica.
Los procesos catalíticos no solo son parte de la química que se realiza en los procesos mecánicos o dentro de un laboratorio de investigación, sino que los mismos ocurren en otros sistemas. Un gran ejemplo de los mismos son los sistemas biológicos. Mientras lees este artículo, dentro de tu cuerpo, han pasado miles de reacciones químicas catalizadas por agentes llamados enzimas. Las enzimas son catalizadores biológicos que, en su mayoría, están compuestas por aminoácidos. Los diversos mecanismos de catálisis que son utilizados por las enzimas dependen exclusivamente de los grupos funcionales, ubicados en la región llamada sitio activo. Sacarosa es un excelente ejemplo de una enzima que utiliza el cuerpo para catalizar el rompimiento de sacarosa (azúcar de mesa) en glucosa y fructosa.
Definiciones:
1) Sitio Activo: Es el área específica que poseen las enzimas para catalizar las reacciones químicas.
2) Hidrocarburo: Moléculas o sustancias compuestas por átomos de hidrógenos y carbonos (Ejemplo: petróleo).
2) Mecanismo: Es una conjetura teórica que explica y describe (mediante pasos elementales) una transformación química.
3) Aleación: Mezcla de dos o más metales para formar una sustancia metálica homogénea.
4) Grupos funcionales: Partes de la molécula o estructura química que imparte ciertas propiedades particulares a las moléculas orgánicas.
Referencias:
1. Motterlini, R., Otterbein, L. The therapeutic potential of carbon monoxide. Nat Rev Drug Discov 9, 728–743 (2010) doi:10.1038/nrd3228
2. Motor Vehicle Control Book Seven Catalytic Converter System Barrett, R. A.; Ragazzi, R. A.: Maness, M. T. & Hayes, B. D. USA Departmentof Environmental Agency: EPA, North Carolina, 1977. EPA-450/3-77-042.
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