Por: Ana María Campos Rosario

Nuestras sociedades han logrado su desarrollo sobre productos (combustibles, detergentes, medicamentos), materiales (plásticos, aleaciones) y procesos provenientes de la química, la ciencia que estudia la transformación de la materia.

La evolución de las fuentes de materias primas y las formas de modificarlas ha tenido un crecimiento exponencial durante los últimos siglos. En sus orígenes, la química estaba basada en la extracción y el estudio de materias primas de origen vegetal y animal. Rápidamente se convirtió en la industria del carbón, desde mediados del siglo XIX. Posteriormente, la industria del petróleo  experimentó un fenomenal desarrollo lo cual llevó consigo avances agigantados en la química que se potenciaron durante el pasado siglo.

Actualmente, la influencia socio-económica de la química es indudable, e incluye lo que podríamos denominar química de base (combustibles, derivados del petróleo, fertilizantes, etc.) y la química fina (fármacos, diseño de materiales sofisticados, productos agro-biológicos), ésta última más moderna y sofisticada, pero al igual que la primera, dirigida a cubrir las necesidades requeridas por los consumidores.

En todos estos campos de la industria química, la catálisis desempeña un papel fundamental, y con ella, algunos procesos heterogéneos de especial relevancia económica y medioambiental (petroquímica, catalizadores de tres vías, etc.) y otros homogéneos, en particular las reacciones  aplicadas a la síntesis de medicamentos. Sin catálisis, la vida como la conocemos no sería posible,  en nuestro día a día, miles de productos (plásticos, biodiesel, combustible, fármacos, etc.) son generados en procesos donde la catálisis es esencial para el confort y la seguridad de la sociedad.

Entonces, podríamos decir que la química, la catálisis, y la sociedad guardan una estrecha relación entre sí.

¿Respecto a la vida?

La vida, el acontecimiento sintético más extraordinario que se ha producido en la tierra, constituye la máxima expresión de la química. Sin lugar a duda, la magia de las interacciones atómicas estuvo en sus orígenes, probablemente mediante transformaciones muy complejas que aún no conocemos. Así mismo, en algún momento aparecieron las enzimas, las cuales catalizaron sofisticados procesos que condujeron a la evolución de las especies y que permitieron la aparición de la especia humana, la cual gracias a muchos procesos catalíticos industriales, logro el desarrollo de las sociedades modernas.

En conclusión, la catálisis es un proceso fundamental para la vida, para la química y para el desarrollo de la sociedad.

Pero… ¿qué es la catálisis?

Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) quien fue Secretario de la Real Academia Sueca de las Ciencias durante cuarenta años, desde 1808 hasta 1848, conocía prácticamente todos los artículos de Química publicados en Europa. En ellos se empezaba a discutir sobre la presencia de “compuestos invitados”, al tratar de explicar las reacciones químicas que ocurrían solamente en presencia de algunas sustancias. Probablemente lo que disparó el interés de Berzelius fue un experimento realizado por uno de sus propios alumnos, quien estaba estudiando la transformación de alcohol en éter. Si se añadía ácido sulfúrico a la reacción, ésta se producía mucho más deprisa; además, al terminar, el ácido seguía ahí sin consumirse como el alcohol. Berzelius pensó entonces que estos casos no eran esporádicos, sino que había una propiedad química común a todos ellos.

En 1836, Berzelius publicó sus conclusiones acerca de todos estos experimentos. Los denominó procesos catalíticos y al fenómeno catálisis, del griego καταλύειν, “desatar”. Las sustancias que actuaban como “compuestos invitados” eran entonces catalizadores, y su efecto era el de acelerar una reacción química sin ser ellos mismos modificados en modo alguno durante la reacción.

En palabras del mismo Berzelius:

La fuerza catalítica parece consistir en la capacidad de determinadas sustancias para activar las afinidades potenciales a esta temperatura por su mera presencia y afinidad, y como resultado, los elementos se estructuran de una manera diferente de modo que se produce una mayor neutralización electroquímica.

Sin embargo, como ha pasado en muchos descubrimientos de la ciencia, el Premio Nobel de Química, fue otorgado a Wilhelm Ostwald en año de 1909.  En palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias:

En reconocimiento a su trabajo sobre catalizadores y sus investigaciones acerca de los principios fundamentales que gobiernan los equilibrios químicos y las velocidades de reacción.

Y en palabras de Ostwald (1900):

A catalyst is a substance which affects the rate of a chemical reaction without being part of its end products.

Lo más importante es que gracias a todas las brillantes ideas discutidas anteriormente, hoy sabemos que la catálisis es un proceso mediante el cual ocurre un aumento en la velocidad de una reacción química ocasionado por una sustancia llamada catalizador, el cual actúa creando un nuevo camino de reacción que requiere de menos energía para pasar de reactantes a productos.

Una analogía que se puede usar para entender la esencia de un proceso de catalítico es imaginar que uno desea ir al Eje Cafetero desde Bogotá. Uno podría tomar la carretera atravesando el alto de la línea consumiendo mucho tiempo y combustible  o bien, ir a través de un túnel, haciendo el viaje más rápido y de manera confortable. Si este túnel existiera, sería a una estupenda obra de ingeniería!

En tal sentido, la catálisis es un trabajo de ingeniería magnifico a nivel molecular, el cual permite que los reactivos tomen un nuevo camino que los llevará a productos de una manera más eficiente.  

Actualmente, el impacto ambiental de la catálisis es inmenso, la creciente preocupación por los efectos de las emisiones industriales de gases o de las procedentes de la fabricación de productos, junto con la predecible escasez de recursos, han estimulado el descubrimiento y desarrollo de procesos que eliminen ó al menos minimicen, el uso de determinadas materias primas y la liberación de ciertos compuestos. Los innumerables procesos catalíticos que se han incorporado a la industria en poco más de cien años constituyen entonces una prueba contundente del papel que ha tenido y que tendrá la tecnología de los catalizadores en la resolución de dichos problemas.

El reto para la catálisis es ahora la innovación, la cual solo será el resultado de mirar a través de las fronteras,  y  atravesar las  interfases entre disciplinas, para tomar nuevos conceptos de un campo a aplicarlos a otro.  Por lo tanto, una renovación de la ingeniería de la reacción y de la catálisis hoy está impulsada por importantes avances en la ciencia de materiales y la nanotecnología, a partir de la aplicación de la química cuántica y métodos mecánicos estadísticos, y por el poder de la visualización avanzada y métodos de caracterización, que van desde la nanoescala a la macroescala. La necesidad de fusionar ideas fundamentales con los principios de ingeniería de sólidos, para apreciar las limitaciones de un entorno industrial, y para pensar en longitud y escalas de tiempo, permitirán a los nuevos catalizadores estar listos para muchas aplicaciones industriales en el futuro.