CATALYSE

Un catalyseur est une espèce chimique qui permet d’augmenter la vitesse d’une réaction mais qui n’apparaît pas dans l’équation de cette réaction.
Lorsqu’un catalyseur est utilisé pour accélérer une transformation, on dit que celle-ci est catalysée.

Il existe trois types de catalyses : la catalyse hétérogène, la catalyse homogène et la catalyse enzymatique.

Un catalyseur modifie le mécanisme réactionnel de la réaction étudiée, c’est-à-dire la nature des étapes permettant de passer des réactifs aux produits. En aucun cas, il ne pourra modifier le sens d’évolution d’un système, ni son état d’équilibre.
Un catalyseur influe uniquement sur la cinétique de la réaction chimique considérée. Il n’est pas consommé et se retrouve inaltéré à la fin de la réaction. Il suffit alors d’une très petite quantité de catalyseur pour transformer rapidement une grande quantité de réactifs.

Un même catalyseur ne peut pas être efficace pour toutes les réactions. En général, un catalyseur catalyse une réaction déterminée et une réaction donnée ne peut être catalysée que par un nombre restreint de catalyseurs. On dit qu’un catalyseur est spécifique d’un type de réaction.

Un catalyseur peut également être sélectif si, à partir d’un système initial susceptible d’évoluer selon plusieurs réactions, il accélère préférentiellement l’une d’elles.

La plupart des procédés de synthèse industriels emploient des catalyseurs. Leur utilisation permet une augmentation de la vitesse de réaction et évite aux entreprises des coûts énergétiques trop importants. En effet, une hausse de la température du milieu a le même effet cinétique que l’utilisation d’un catalyseur. Cependant, le coût d’une élévation de température est nettement plus élevé, c’est pourquoi le choix du catalyseur est financièrement plus approprié.
L’importance industrielle et économique des catalyseurs en fait aujourd’hui un des thèmes le plus étudiés dans la recherche.

Cette mousse utilisée au niveau du pot d'échappement des automobiles est un catalyseur. Elle permet d'optimiser la réaction de combustion du mélange air-essence et réduit considérablement le dégagement de gaz nocifs dans l'atmosphère.

Catalyse hétérogène

Lorsque le catalyseur est solide et que les réactifs sont gazeux ou en solution aqueuse, on parle de catalyse hétérogène. Les réactifs et le catalyseur n’évoluent alors pas dans la même phase.

En catalyse hétérogène, la surface du catalyseur solide en contact avec les réactifs joue un rôle primordial dans la réaction. En effet, c’est à ce niveau que les espèces réagissent entre elles et se transforment pour finalement libérer les produits de la réaction.
La surface du catalyseur en contact avec les réactifs est appelée surface active. Un catalyseur est d’autant plus efficace que sa surface active est grande.
Certaines configurations permettent d’augmenter la surface active. C’est pourquoi on utilise souvent les catalyseurs sous des formes très divisées : poudres, mousses ou fils très fins tissés sous forme de toile.

Dans l’industrie chimique, la synthèse de l’ammoniac NH3 est un exemple d’utilisation de la catalyse hétérogène. Ce procédé de fabrication a été mis au point en 1910 par les chimistes allemands Fritz Haber et Carl Bosch.
L’équation de la réaction est la suivante : N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g)
On utilise un catalyseur solide à base de fer métallique Fe. Son action permet d’abaisser la température du milieu, qui s’élève tout de même à 450°C. La synthèse est réalisée sous une pression de 250 bar.

La catalyse hétérogène s’applique également à l’industrie de l’automobile.
Pour lutter efficacement contre la pollution atmosphérique, les voitures sont aujourd’hui équipées de pots catalytiques. En effet, les voitures à essence contribuent à la pollution de l'air car le moteur ne réalise pas une combustion parfaite du mélange air-essence. Le moteur produit ainsi de l'eau H2O, du dioxyde de carbone CO2 mais aussi des gaz nocifs tels que du monoxyde de carbone CO, des hydrocarbures et des oxydes d’azote NOx.
Pour remédier à ces émissions polluantes, un mélange de catalyseurs solides, composé de palladium Pd, de platine Pt et de rhodium Rh, est ajouté sur le trajet de ces gaz, c’est-à-dire dans le pot d’échappement. Les gaz nocifs sont ainsi réduits ou oxydés, selon les cas, en gaz, N2 inoffensifs (H2O, CO2).

Catalyse homogène

Lorsque le catalyseur et les réactifs sont tous gazeux ou tous en solution (dans l'eau ou dans un autre solvant), on parle de catalyse homogène. Le catalyseur et les réactifs sont donc dans la même phase.
En catalyse homogène, l’efficacité d’un catalyseur est d’autant plus grande que sa concentration en solution est élevée. Cependant, une fois la concentration limite de catalyseur atteinte, l'efficacité de celui-ci n'évolue plus. Beaucoup de réactions de chimie organique utilisent la catalyse homogène. La réaction d’hydroformylation des alcènes permet, par exemple, la préparation d’aldéhydes (R—CO—H) linéaires et ramifiés.
Pour réaliser cette réaction, un mélange d’alcène, de monoxyde de carbone CO et de dihydrogène H2 est porté à une température comprise entre 120 et 170°C, sous une pression de 150 bar, en présence d’un catalyseur au cobalt : Co2(CO)8.
Le catalyseur et les réactifs sont tous gazeux, la catalyse est donc bien homogène.
Si l’alcène choisi est le propène H3C—CH=CH2, on peut préparer du butanal (aldéhyde linéaire) ainsi que du 2-méthylpropanal (aldéhyde ramifié). Cependant, le produit majoritairement obtenu est le butanal H3C—CH2—CH2—CO—H.
La réaction prépondérante est donc la suivante :
H3C—CH=CH2 + H2 + CO = H3C—CH2—CH2—CO—H
En effet, le catalyseur au cobalt est suffisamment sélectif pour que la production du produit secondaire ramifié soit relativement faible.

Catalyse enzymatique

Les enzymes sont des molécules biologiques agissant comme des catalyseurs. Ce sont des protéines, c’est-à-dire des molécules constituées par l’enchaînement de plusieurs centaines d’acides aminés.

Lorsqu’une réaction est catalysée par une enzyme, on parle de catalyse enzymatique. D'origine biologique, les enzymes sont des espèces chimiques comme les autres qui obéissent à des lois physico-chimiques.
Au cours d’une réaction de catalyse enzymatique, les réactifs sont en solution dans la même phase liquide que l’enzyme. La catalyse enzymatique est donc un cas particulier de la catalyse homogène.

Les réactions pouvant être catalysées par les enzymes s’effectuent dans des conditions souvent qualifiées de douces, c’est-à-dire à la température de l’organisme qui les abrite (37 °C pour l’organisme humain) et à un pH peu éloigné de la neutralité (aux alentours de pH=7).
Lorsque les conditions de température ou de pH sont trop faibles ou trop élevées, l’efficacité du catalyseur est réduite, voire nulle.

Outre leur importance dans certains processus biologiques chez les êtres vivants, les enzymes sont également utilisées dans l’industrie.
Les protéases et les amylases sont par exemple utilisées dans la fabrication de la bière. Elles permettent la transformation de l’amidon présent dans l’orge en acides aminés et en sucres fermentescibles.
La très grande efficacité des enzymes, leur sélectivité ainsi que les conditions très douces dans lesquelles elles interviennent suscitent un grand intérêt auprès des industriels. Cependant, cet essor est pour l’instant limité par la difficulté à recycler les enzymes.

http://www.cnrs.fr/cnrs-images/chimieaulycee/THEMES/catalyse/defini.htm

CATALYSE

Questions:

1.Quels sont les facteurs cinétiques?

2. Définir les termes: catalyse; catalyseur.

3. Est-ce que le mécanisme d’une réaction catalysée est même comme une réaction non catalysée?

Pourquoi?

4. Qu’est-ce qu’une catalyse hétérogène? Donner un exemple.

5. Quels sont les étapes d’une catalyse hétérogène?

6. Quand la catalyse hétérogène est plus rapide?

7. Où se déroule la réaction dans une catalyse homogène?

8. Qu’est-ce qu’une catalyse homogène? Donner un exemple.

9. Qu’est-ce qu’une autocatalyse?

10.Qu’est ce que c’est la sélectivité d’un catalyseur?

11. Pourquoi la catalyse est très importante?

12. Qu’est-ce qu’une catalyse enzymatique? Donner un exemple.