13 Jul
Catálisis Homogénea y Heterogénea: Fundamentos y Aplicaciones
Catálisis Homogénea
La catálisis homogénea ocurre cuando el catalizador y los reactivos se encuentran en la misma fase, típicamente en fase líquida o gaseosa. Ambos se encuentran en una mezcla uniforme.
Ventajas:
- Alta selectividad y eficacia debido a la fase uniforme.
- Posibilidad de control preciso sobre las condiciones de reacción.
Desventajas:
- Dificultad en la separación del catalizador del producto final.
- Desactivación del catalizador debido a productos secundarios.
Tipos:
- Catálisis ácida/básica.
- Catálisis de complejos metálicos.
- Catálisis enzimática.
Catálisis Heterogénea
En la catálisis heterogénea, el catalizador y los reactivos se encuentran en diferentes fases. Generalmente, el catalizador es sólido, mientras que los reactivos son gases o líquidos.
Ventajas:
- Fácil separación del catalizador del producto final (catalizador reutilizable).
- Alta estabilidad del catalizador.
- Amplia aplicación en procesos industriales debido a su durabilidad y efectividad.
Desventajas:
- Menor control sobre la selectividad de la reacción.
- Menor eficacia del catalizador (debido a la acumulación de contaminantes).
- Difusión limitada de reactivos hasta la superficie del catalizador, lo que disminuye la velocidad de reacción.
Tipos:
- Catálisis de soportes sólidos.
- Catálisis de zeolitas.
- Fotocatálisis.
Baterías de Litio: Ventajas y Desafíos
Las baterías de litio, especialmente las baterías de iones de litio (Li-ion), son ampliamente utilizadas en una variedad de dispositivos electrónicos, vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de energía.
Ventajas:
- Alta densidad energética.
- Larga vida útil.
- Sin efecto memoria.
- Alto rendimiento de potencia.
Desventajas:
- Costo elevado.
- Riesgo de incendio/explosión.
- Impacto ambiental.
- Sensibilidad a temperaturas extremas.
Estructuras Cristalinas Fundamentales en Química de Materiales
Estructura de la Espinela y su Relación con la Olivina
La espinela tiene la fórmula general AB₂X₄, donde X suele ser oxígeno, y los estados de oxidación de los metales A y B son +2 y +3, respectivamente.
La red de espinela consiste en una disposición de empaquetamiento cúbico compacto de iones O²⁻, en la que 1/8 de los huecos tetraédricos está ocupado por iones A²⁺ y la mitad de los huecos octaédricos está ocupada por iones B³⁺. La celda unidad contiene 8 unidades fórmula, es decir, (AB₂O₄)₈. Ejemplo: Espinela (MgAl₂O₄).
Cabe destacar que algunos óxidos metálicos mixtos AB₂X₄, en los cuales al menos uno de los metales es un elemento del bloque d, poseen una estructura de espinela inversa, la cual deriva de la red de espinela al intercambiar las posiciones de los iones A²⁺ con la mitad de los iones B³⁺.
Por otro lado, la olivina (MgSiO₄) se trata de un empaquetamiento hexagonal compacto de óxidos, análogo a la espinela. A su vez, 1/8 de los sitios tetraédricos (Td) está ocupado por el Si, mientras que 1/2 de los sitios octaédricos (Oh) está ocupado por el Mg.
A altas presiones, muchas olivinas se transforman en espinelas, que son el principal constituyente del manto interior de la Tierra. Sin embargo, la transformación inversa podría ser un factor que contribuye a los terremotos.
Estructura de Ruddlesden-Popper para n=1
Las estructuras de Ruddlesden-Popper poseen la siguiente fórmula general: A₀(ABO₃)ₙ, donde n ≥ 1.
Estas estructuras se componen de capas de octaedros que comparten sus vértices ecuatoriales. A medida que aumenta ‘n’, también se comparten vértices axiales, lo que incrementa el grosor de las capas de octaedros.
En el caso de n=1, algunos ejemplos de compuestos son K₂NiF₄ y La₂CuO₄.
La capa ABO₃ es la capa central, que corresponde a la perovskita, mientras que las capas de los extremos se definen como capas de tipo NaCl.
A medida que ‘n’ aumenta, las capas se expanden de tal manera que, para n = ∞ (infinito), la capa de ABO₃ se vuelve tan extensa que deja de considerarse como una parte de la estructura A₀. Por lo tanto, para n = ∞, la estructura de Ruddlesden-Popper corresponde perfectamente a una perovskita.
Estructuras de la Perovskita y K₂NiF₄: Relación Estructural
Las perovskitas son óxidos ternarios de fórmula general ABX₃, donde el anión X puede ser O, N o un halógeno. Los iones A son típicamente iones grandes, como Sr²⁺, Ba²⁺, Rb⁺ o un ion lantánido 3+, y los iones B son iones de metales del bloque d más pequeños, como Ti⁴⁺, Nb⁵⁺, Ru⁴⁺, etc.
La estructura de la perovskita tiene una simetría cúbica simple, pero está relacionada con la red FCC (cúbica centrada en las caras), en el sentido de que los cationes A y los tres átomos de oxígeno comprenden una red FCC. Los cationes B llenan 1/4 de los sitios octaédricos (Oh) y están rodeados por seis iones O²⁻.
K₂NiF₄ es una estructura derivada de la perovskita, que consta de octaedros formando planos que comparten sus vértices ecuatoriales. Dependiendo del valor de ‘n’ (que en este caso es igual a 1), comparte uno, dos o ninguno de los vértices axiales, lo que permite formar capas de octaedros de diferente grosor.
Estructura de la Brownmillerita y su Relación con la Perovskita
La estructura de la Brownmillerita es una variante de la estructura de la Perovskita, deficiente en aniones.
En la Brownmillerita se observa un exceso de cationes B, lo que implica una mayor proporción de cationes metálicos B en comparación con la perovskita estándar. Esta alteración en la relación estequiométrica conduce a una distorsión en la estructura cristalina, lo que resulta en la formación de canales o túneles dentro de la estructura.
El número de coordinación del catión B se reduce en esta estructura.
Estructuras del Rubí (Al₂O₃) y la Espinela
El Rubí se trata de la estructura de corindón dopado con Cr³⁺ (lo que le confiere su color rojo). Este cristaliza en un sistema romboédrico. La estructura consiste en un empaquetamiento hexagonal compacto de aniones oxígeno, mientras que el Al ocupa 2/3 de los huecos octaédricos (Oh). La secuencia de apilamiento de capas de oxígeno es ABAB.
(La estructura de la Espinela ha sido detallada previamente en la sección «Estructura de la Espinela y su Relación con la Olivina»).
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