La catalyse
I. D´ efinition et propri´ et´ es
La catalyse est l’action d’une substance appel´ee catalyseur sur une transformation chimique.
Un catalyseur est une esp`ece qui augmente la vitesse de la r´eaction sans modifier l’´etat final du syst`eme.
Il permet de contrˆoler l’´evolution d’un syst`eme chimique : un catalyseur a un rˆole purement cin´etique (cela signifie qu’il ne peut acc´el´erer qu’une r´eaction qui peut avoir lieu sans lui). Il doit ˆetre sp´ecifique de la r´eaction pour que la transformation devienne plus rapide, mais le syst`eme ´evolue vers un mˆeme ´etat final.
Un catalyseur est s´electif si, `a partir d’un syst`eme initial susceptible d’´evoluer selon plusieurs r´eactions, il acc´el`ere pr´ef´erentiellement l’une d’elles.
On d´enombre trois cat´egories de catalyse (en terminale) :
homog`ene
h´et´erog`ene
enzymatique
II. Catalyse homog` ene
On dit que la catalyse est homog`ene si le catalyseur appartient `a la phase des r´eactifs.
Dans ce type de catalyse, le catalyseur participe `a la transformation chimique. Il est transform´e en une autre esp`ece chimique puis r´eg´en´er´e.
Le catalyseur n’entre pas dans l’´ecriture de l’´equation.
Exemple : dismutation de l’eau oxyg´en´ee catalys´ee par les ions ferrique : La r´eaction se fait en deux ´etapes :
2Fe3+ + H2O2 2Fe2++ 2H+ + O2(1) 2Fe2+ + 2H+ + H2O2 2Fe3+ + 2H2O (2)
En ajoutant (1) et (2) on retrouve l’´equation de la r´eaction. Le catalyseur n’apparaˆıt pas : 2H2O2 2H2O + O2.
III. Catalyse h´ et´ erog` ene
On dit qu’une catalyse est h´et´erog`ene si le catalyseur et les r´eactifs n’appartiennent pas `a la mˆeme phase.
Dans une catalyse h´et´erog`ene la r´eaction se produit `a la surface du catalyseur et l’efficacit´e d’un catalyseur d´epend de la surface disponible.
Ce m´ecanisme se d´eroule en trois ´etapes successives :
les mol´ecules, avec l’agitation thermique, vont se lier `a la surface du catalyseur : elles s’adsorbent, fragilisant les mol´ecules ;
les liaisons dans les mol´ecules ´etant fragilis´ees, la r´eaction se fait plus ais´ement ;
les produits form´es `a la surface : on dit qu’ils se d´esorbent.
Exemple :
synth`ese de l’eau `a partir du dihydrog`ene et du dioxyg`ene sous l’action du platine (Pt) :
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Craquage catalytique : A une temp´erature de 500˚C et en pr´esence de silicates naturels, certaines mol´ecules d’alcanes `a chaˆınes longues se transforment en mol´ecules d’alcanes et d’alc`enes `a chaˆınes plus courtes.
Reformage catalytique :A 500˚C et en pr´esence de platine, on modifie la structure des hydrocarbures des essences l´eg`eres pour am´eliorer l’indice d’octane.
IV. Catalyse enzymatique
La catalyse est enzymatique lorsque le catalyseur est une enzyme, c’est-`a-dire une prot´eine ´elabor´ee par les syst`emes vivants.
Il s’agit `a la fois d’une catalyse homog`ene car le catalyseur et les r´eactifs du milieu biologique ne forment qu’une seule phase aqueuse, et d’une catalyse h´et´erog`ene du fait du mode d’action (pr´esence d’un site actif).
Exemple : Les enzymes digestives r´ealisent une rupture des grosses mol´ecules de l’alimentation.
V. Synth` ese
Le catalyseur a un rˆole purement cin´etique: il ne peut acc´el´erer que des r´eactions qui sont naturellement possibles. Dans le cas d’une r´eaction d’´equilibre, le catalyseur agit `a la fois sur la r´eaction directe et sur la r´eaction indirecte.
La catalyse est un ph´enom`ene sp´ecifique car le catalyseur agit sur une r´eaction d´etermin´ee, et une r´eaction donn´ee ne peut ˆetre acc´el´er´ee que part un nombre restreint de catalyseur.
Remarque : Pour une catalyse homog`ene, l’ion oxonium (H3O+) peut catalyser beaucoup de r´eactions.
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