Chap I (Généralités Sur La Catalyse Et Les Catalyseurs) [PDF]

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Chapitre 1 : Généralités sur la catalyse et les catalyseurs

Chapitre I

GENERALITES SUR LA CATALYSE ET LES CATALYSEURS

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Chapitre 1 : Généralités sur la catalyse et les catalyseurs

I.1 INTRODUCTION Le phénomène de catalyse a été décrit pour la première fois par Berzelius, en 1835. On appelle catalyse, l’accélération d’une réaction chimique sous l’effet d’un produit n’apparaissant pas dans le bilan de la réaction. Ce phénomène est d’une importance économique considérable, puisque de très nombreux produits industriels sont fabriqués grâce à des catalyseurs : matières plastiques, carburants, détergents, solvants, etc. La catalyse est un domaine de recherche extrêmement actif, encore renforcé par la raréfaction des ressources pétrolières et le renchérissement général des matières premières. L’un des objectifs les plus cruciaux en chimie est en effet de trouver des catalyseurs permettant non seulement d’augmenter la vitesse des réactions, mais également de favoriser les réactions intéressantes au détriment des réactions parasites.

I.2 DEFINITION La catalyse est l’action d’un catalyseur sur une transformation chimique. Cette action est uniquement de nature cinétique. En effet, un catalyseur ne fait qu’augmenter, parfois de façon très importante, la vitesse d’une réaction thermodynamiquement possible. En aucun cas un catalyseur ne peut rendre possible une réaction qui est thermodynamiquement très défavorable. En d’autres termes, le catalyseur modifie la valeur de la constante de vitesse d’une réaction, mais ne change rien à la constante d’équilibre de la réaction. En conséquence, l’utilisation d’un catalyseur ne permet pas d’augmenter le rendement d’une réaction. Par exemple, l’hydrolyse de l’éthanoate d’éthyle en acide éthanoïque et en éthanol :

CH3CO2C2H5 + H2O

CH3CO2H + C2H5OH 2

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Cette réaction est un équilibre tel que la proportion d’ester est de 66% à l’état final. Dans l’eau pure, l’équilibre est atteint en plusieurs mois à température ambiante. En présence d’ions H+, le même équilibre est atteint après quelques heures.

I.3 PROPRIETES DE LA CATALYSE

I.3.1 Quantité utile de catalyseur En général, il suffit donc d’une petite quantité de catalyseur pour augmenter la vitesse d’une réaction. I.3.2 Spécificité d’un catalyseur Il n’existe pas de « catalyseur universel ». Un catalyseur donné ne catalyse pas n’importe quel type de réaction. On dit qu’un catalyseur est spécifique d’un type de réaction. Par un choix judicieux de catalyseur, le chimiste peut décider de la nature de

la

transformation

qui

va

faire

évoluer

un

système.

Ainsi, en faisant passer de l’éthanol C2H5OH sur du cuivre à 250 °C, on va 3 Mme SEKRANE FATIMA

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obtenir l’éthanal CH3CHO alors qu’en le faisant passer sur de l’alumine Al2O3 à 400 °C on obtiendra de l’éthylène C2H4. I.3.3 Influence sur l’état d’équilibre Lorsqu’une transformation réversible conduit à un état d’équilibre, le catalyseur accélère de la même manière la réaction directe et la réaction inverse. Il ne modifie donc pas l’état d’équilibre final du système. Exemple : l’acide sulfurique H2SO4(ℓ) catalyse aussi bien l’estérification que l’hydrolyse de l’ester. I.3.4 Rôle cinétique d’un catalyseur Un catalyseur n’a qu’un rôle cinétique c’est-à-dire qu’il peut accélérer une réaction spontanée mais il ne peut pas rendre possible une réaction non spontanée. Exemple : la décomposition de l’eau en H2 et O2 n’est pas spontanée. Il n’existe pas de catalyseur pour cette réaction qui ne peut avoir lieu que grâce à un apport d’énergie par électrolyse notamment. I.3.5 Durée de vie d’un catalyseur Sous l’action des conditions opératoires (température, pression) ou d’espèces chimiques (impuretés), l’efficacité du catalyseur diminue avec le temps. C’est le vieillissement de ce dernier par empoisonnement. Le catalyseur peut être piégé dans les produits de la réaction et donc inactif pour les autres réactifs.

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I.4 DIFFERENTS TYPES DE CATALYSE

I.4.1 Catalyse homogène Une catalyse est homogène lorsque le catalyseur appartient à la même phase que les réactifs. Exemple : décomposition de l’eau oxygénée catalysée par les ions fer III.

I.4.2 Catalyse hétérogène Une catalyse est hétérogène lorsque le catalyseur n'appartient pas à la même phase que les réactifs. Généralement, le catalyseur est à l'état solide et les réactifs à l'état gazeux, ou à l'état liquide. Exemple : décomposition de l’eau oxygénée catalysée par le platine.

Dans une catalyse hétérogène, la réaction est d'autant plus rapide que la surface du catalyseur est plus grande.

I.4.3 Catalyse enzymatique Les molécules biologiques agissant comme catalyseurs sont appelées enzymes. Ce sont des protéines, c’est-à-dire des macromolécules constituées par l’enchaînement de plusieurs centaines d’acides aminés. Leur pouvoir catalytique est important et leur sélectivité très grande.

Exemple : dismutation de H2O2 en présence de viande rouge (enzyme catalase contenant Fe3+)

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Lorsqu’une réaction est catalysée par une enzyme, on parle de catalyse enzymatique : c’est un cas particulier de catalyse homogène. La catalyse est d’autant plus efficace que le nombre de sites actifs est élevé. I.5 MODE D’ACTION D’UN CATALYSEUR Un catalyseur modifie le mécanisme réactionnel de la réaction étudiée, c’est-àdire la nature des étapes permettant de passer des réactifs aux produits. Contrairement aux facteurs cinétiques, température et concentrations, qui agissent sur la probabilité des chocs efficaces, le catalyseur permet de réaliser la transformation en empruntant un chemin réactionnel constitué d’étapes plus rapides. Dans le cas simple de la réaction d’un réactif A pour former un produit P avec la participation d’un catalyseur K, on peut imaginer que la catalyse se déroule par le biais d’un produit intermédiaire X. Le réactif et le catalyseur forment donc tout d’abord un produit intermédiaire. Le produit P se forme alors à partir du produit intermédiaire sous l’effet de la libération du catalyseur. Le catalyseur reste inchangé au terme de la réaction et est à nouveau disponible pour de nouvelles réactions.

Une explication possible de la catalyse est donnée par la théorie de transition. Cette théorie suppose que les réactifs participant à la réaction doivent franchir un seuil énergétique pour que la réaction puisse avoir lieu (Figure I.1). L’état moléculaire au maximum du seuil énergétique E1 est dénommé complexe activé. Les produits se forment alors directement à partir de cet état moléculaire. Lors de la catalyse, le complexe activé se forme à partir des réactifs et du catalyseur. 6 Mme SEKRANE FATIMA

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L’énergie E2 nécessaire à la formation du complexe avec le catalyseur est plus faible que l’énergie E1 requise en l’absence de catalyseur. Ce besoin inférieur en énergie fait que le nombre de réactifs qui réagissent par unité de temps pour former des produits est supérieur. La vitesse de réaction est donc plus élevée.

Figure I.1 : Mode d’action d’un catalyseur

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