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Catalyse

La catalyse est l'action d'un catalyseur sur une transformation chimique.

On distingue différents types de catalyse :

  • Catalyse homogène, si le catalyseur et les réactifs ne forment qu'une seule phase.
  • Catalyse (La catalyse est l'action d'un catalyseur sur une transformation chimique.) hétérogène, si le catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans...) et les réactifs forment plusieurs phases.
  • Catalyse enzymatique, si le catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît...) est une enzyme.

Un catalyseur a un rôle unique d'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est...), il ne peut accélérer qu'une réaction qui peut avoir lieu sans lui. Il ne modifie ni le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) d'évolution d'une transformation ni la composition du système à l'état final. Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) catalyseur d'une réaction dans le sens direct catalyse aussi la réaction en sens inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel...).

Histoire de la catalyse

Le pot catalytique est sans doute l'exemple le plus connu de la catalyse, mais ce domaine de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) possède des retombées quotidiennement pour le grand public. Un très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de procédés chimiques comporte au moins une étape utilisant la catalyse que ce soit dans le domaine des fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) synthétiques, les médicaments, les additifs alimentaires.

Découverte

Le terme catalyse fut introduit par Berzélius en 1836 (du grec kata " en bas " et luein " dissoudre ") lorsque le début du XIXème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut être l'âge du...) fut propice à des études dans ce qui sera ce domaine. Dès 1814 Kirchhoff rapporte l'hydrolyse de l'amidon catalysée par les acides, en 1817 Humphry Davy découvre que l'introduction de platine chaud dans un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le...) d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de...) et de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de...) issus du charbon conduit à chauffer à blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu,...) le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins....). En 1824 Henry rapporte l'empoisonnement d'un catalyseur : l'éthylène inhibe la réaction entre l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) sur du platine. Il remarque par ailleurs l'oxydation sélective dans la réaction entre l'oxygène et un mélange gazeux composé d'hydrogène, de monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule semi-développée C=O ou –C≡O+, la molécule est...) et de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants....). En 1845 Grove montre qu'un filament de platine est également un bon catalyseur pour la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie,...) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) en hydrogène et oxygène. En 1871 le procédé Deacon, utilisé pour l'oxydation de l'acide chlorhydrique (L'acide chlorhydrique est une solution aqueuse ayant pour solutés des ions oxonium H3O+ et des ions chlorure Cl-. On peut l'obtenir par dissolution de chlorure d'hydrogène HCl...) en chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de numéro atomique 17.) est développé, il utilise un catalyseur à base brique en argile (L'argile (nom féminin) est une roche sédimentaire, composée pour une large part de minéraux spécifiques, silicates en général d'aluminium plus ou moins...) imprégnée de sels de cuivre. Peu de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) après, en 1877, Lemoine démontre que la décomposition l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique...) iodique en hydrogène et iode atteint le même point (Graphie) d'équilibre à 350°C que la réaction soit menée avec ou sans catalyseur (platine). Cette propriété est confirmée deux ans plus tard par Bertholet avec l'estérification des acides organiques et l'hydrolyse des esters dont l'équilibre de réaction reste identique avec ou sans catalyseur.

Développement de la chimie

Le début du XXème siècle marque une découverte qui continue d'avoir des répercussions de nos jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...). Wilhelm Normann réalise l'hydrogénation de l'acide oléique (acide cis-9-octadecenoïque C17H33COOH), liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), en acide stéarique (acide octadecanoïque C17H35COOH), solide, sur du nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) finement divisé. Cette hydrogénation est encore largement utilisée de nos jours dans de nombreux domaines (alimentation, pharmacie (La pharmacie (du grec φάρμακον/pharmakôn signifiant drogue, venin ou poison) est la science s'intéressant à la conception, au mode...), savonnerie, parfumerie, peinture,...) et le nickel reste le catalyseur phare. La synthèse de l'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule pyramidale à base...) (NH3) à partir de l'azote (Table complète - Table étendue) et de l'hydrogène est réussie par Fritz Haber à l'aide d'un appareil à haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et en présence de Fe3O4 réduit. Cet ammoniac peut être oxydé en oxydes d'azote par oxydation sur du platine pour servir de base pour fabriquer de l'acide nitrique (HNO3). En 1923 BASF (BASF est un groupe chimique allemand et le plus grand groupe de chimie au monde. Son siège social est situé à Ludwigshafen en Allemagne.) commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) une usine de fabrication du méthanol à partir de monoxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) et d'hydrogène sur un catalyseur à base d'oxyde de zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) et d'oxyde de chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.). Durant la même période le procédé Fischer – Tropsch permet d'obtenir des alcanes, alcènes et alcools à partir de monoxyde de carbone et d'hydrogène à l'aide de catalyseur à base de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie...) et de cobalt. L'oxydation catalytique du dioxyde de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) en trioxyde de soufre sur de l'oxyde de vanadium V (V2O5) permet la synthèse à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une...) d'acide sulfurique. À la fin des années 1930, la craquage (Le craquage (cracking en anglais) est, en chimie, et plus particulièrement celle du pétrole, l'opération qui consiste à casser une molécule organique complexe en éléments plus petits, notamment des...) catalytique apparaît, offrant la possibilité de casser les liaisons C-C. Ce procédé, le procédé Houdry, utilise un catalyseur à base d'argile de type montmorillonite traitée à l'acide, permet de craquer les grosses molécules du pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie...), typiquement contenues dans les gasoil, en plus petites molécules qu'on trouve dans les essences. Durant la même décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.) l'oxydation sélective de l'éthylène en oxyde d'éthylène sur un catalyseur à base d'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.) est mise au point, développé et commercialisé par Union Carbide. Tous ces procédés permettent d'avoir accès à une échelle industrielle à des produits de base de la chimie ouvrant ainsi à la voie au développement de la chimie de base et des spécialités.

Incontournable catalyse

Les trente glorieuses profiteront largement à la chimie avec un grand développement des procédés en tout genre pour des productions de plus en plus diversifiées. La catalyse sera un acteur (Un acteur est un artiste qui incarne un personnage dans un film, dans une pièce de théâtre, à la télévision, à la radio, ou même dans des spectacles de rue. En plus de l'interprétation proprement dite, un acteur (ou...) important de ce développement. La polymérisation se développe grandement en profitant des molécules de base produites. Dans les années 1950 le polyéthylène, le polypropylène, et le polybutadiène apparaissent grâce notamment au procédé Ziegler – Natta utilisant des catalyseurs à base d'organométalliques de titane et aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec...). Le traitement du pétrole s'affirme avec l'hydrodésulfuration sur des catalyseurs à base de sulfure de cobalt et de molybdène, l'hydrotraitement des naphtas sur des catalyseurs cobalt – molybdène déposé sur alumine. Les années 1960 marquent l'apparition des zéolithes de synthèse actives et sélectives pour l'isomérisation des alcanes et le craquage catalytique. Dès lors ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) vont fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) d'intenses études pour leurs propriétés catalytiques et les chercheurs mettent au point de nombreuses zéolithes aux propriétés adaptées selon les réactions à catalyser, mais aussi à la forme des molécules par le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de la taille des canaux. Les réactions mises en jeu conduisent à des molécules de plus en plus diverses : l'ammoxidation du propylène sur des catalyseurs à base d'oxydes de bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et de numéro atomique 83.) et de molybdène conduit à la fabrication d'acrylonitrile, l'oxychloration de l'éthylène sur des catalyseurs à base de chlorure de cuivre conduit au chlorure de vinyle (Le vinyle est, selon l’IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), l’autre nom qui est donné à l’éthényle de formule...), la décennie 70 voit apparaître le pot d'échappement catalytique à base de platine, rhodium et palladium. C'est à cette époque que se développe industriellement la catalyse enzymatique avec l'immobilisation d'enzymes, ce qui permet le développement des pénicillines semi-synthétiques ou l'isomérisation du glucose en fructose. Les efforts entrepris lors de la découverte des zéolithes synthétiques se traduisent industriellement dans les années 1980, le procédé MTG " methanol to gasoline " methanol vers essence permet de fabriquer de l'essence à partir du méthanol grâce à un zéolithe H-ZSM5, production de diesel à partir CO et H2 grâce à des catalyseurs à base de cobalt. La chimie fine n'est pas en reste avec la synthèse de la vitamine (Une vitamine est une substance organique nécessaire (en dose allant du microgramme à plusieurs milligrammes par jour) au métabolisme des organismes vivants et donc de l'homme....) K4 à l'aide d'un catalyseur membranaire à base de platine. La liste est encore très longue et les molécules de plus en plus élaborées.

La catalyse hétérogène

Les principes

La catalyse hétérogène s'appelle ainsi quand le catalyseur et les réactifs ne sont pas sous la même phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :). L'immense majorité des cas de catalyse hétérogène fait intervenir un catalyseur sous forme solide, les réactifs étant alors gazeux et/ou liquides. Par exemple, l'oxydation du monoxyde de carbone (gaz) par l'oxygène de l'air (gaz)en CO2 sur un catalyseur platine (solide), ou l'hydrogénation du benzène (Le benzène est un hydrocarbure aromatique monocyclique, de formule C6H6, également noté Ph-H, φ-H ou encore Ar-H. Ce composé organique incolore (il a d'ailleurs le même indice de...) (liquide) par l'hydrogène (gaz) en cyclohexane (liquide) sur nickel (solide). L'avantage de ce type de catalyse qui concerne 80% des procédés industriels catalysés est la grande facilité de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans...) du catalyseur des produits et réactifs, puisque même dans le deuxième cas une simple filtration (La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d'un milieu poreux.) suffit.

Mécanismes réactionnels

Considérons une réaction en phase gazeuse catalysée par un solide. La première étape de n'importe quel mécanisme réactionnel en catalyse hétérogène est l'étape d'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou moins intenses. Ce phénomène a...).

L'adsorption physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général...) ou physisorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon...)

Un réactif de la phase gazeuse peut se "déposer" à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) du catalyseur. Les forces mises en jeu sont faibles, de l'ordre de 10 à 40 kJ.mol-1, et ce sont des forces d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) moléculaires regroupés sous l'appellation force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) de van der Waals. Ce mode de liaison n'est pas suffisant pour la catalyse, le réactif doit être chimisorbé.

L'adsorption chimique ou chimisorption

La chimisorption consiste en la création d'une vraie liaison chimique entre la surface du catalyseur et le réactif. La molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) chimisorbée devient alors plus réactive et peut alors subir la transformation chimique.

Mécanisme de type Langmuir - Hinshelwood

Dans ce type de mécanisme, la réaction se fait entre espéces adsorbées à la surface du catalyseur. Cela signifie donc que les espèces nécessaires à une réaction sont présentes à la surface du catalyseur. Cela ne veut pas dire que toutes les espèces mises en jeu dans la réaction doivent être présentes. Dans le cas de réactions mettant en jeu plusieurs espéces et plusieurs étapes, le substrat peut bouger à la surface du catalyseur et les réactifs aussi.

Mécanisme de type Eley - Rideal

Contrairement au mécanisme précédent, ici la réaction se fait entre une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un concept flou dont...) adsorbée à la surface du catalyseur et une espèce non adsorbée.

Désorption

A l'instar de la première étape qui consistait en une adsorption, la dernière étape est une étape de désorption, à savoir la molécule produite quitte la surface du catalyseur pour se retrouver dans le milieu ambiant. Le produit peut alors être entraîné par le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme...), gazeux par exemple, pour subir d'autres opérations (typiquement séparation, purification) c'est le cas dans les procédés continus. Il peut aussi rester dans le mélange réactionnel le reste du temps en attendant l'arrêt de la manipulation, c'est le cas dans les procédés de type batch (discontinus).

Quelques exemples de réactions et de procédés

La catalyse homogène

Les principes

En catalyse homogène les réactifs et le catalyseur se présentent sous la même phase. On retrouve beaucoup ce type de catalyse en chimie organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) où de nombreuses réactions se déroulent avec des réactifs mis en solution dans des solvants catalysées par des complexes eux aussi solubles.

Si, au contraire de la catalyse hétérogène qui permet de séparer le catalyseur facilement, la catalyse homogène ne permet pas séparer le catalyseur tel quel du milieu réaction elle présente d'autres atouts. Une grande reproductibilité (La reproductibilité d'une expérience scientifique est une des conditions qui permet d'inclure les observations réalisées durant cette expérience dans...) d'une synthèse à l'autre, une grande spécificité, une activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) à plus basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) et d'un point de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les...) une meilleure connaissance des mécanismes réactionnels.

Mécanismes réactionnels

Il est impossible de résumer simplement les mécanismes réactionnels. Cependant il existe dix d'étapes élémentaires pour les réactions impliquant des organométalliques, qui sont les catalyseurs dans le monde (Le mot monde peut désigner :) de la catalyse hétérogène. Ces dix étapes élémentaires ne forment en fait que 5 réactions puisqu'on peut avoir une réaction et sa réaction inverse ce qui définit donc deux étapes élémentaires. Toutes ces étapes élémentaires n'apparaissent pas toutes durant un mécanisme réactionnel, simplement certaines d'entre elles ont lieu dans ce qui est un cycle catalytique. Le cycle catalytique est la manière habituelle de présenter le mécanisme réactionnel. Certains mécanismes ne présentent que 3 étapes élémentaires quand d'autres en présentent 8.

Les étapes élémentaires se caractérisent par trois variables :

  • ΔVE : changement du nombre d'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) de valence de l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) central (généralement un atome métallique)
  • ΔOS : changement de l'état d'oxydation de l'atome central
  • ΔCN : changement du nombre de coordination

Illustrations

- Vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un...) sur la catalyse de la décomposition de l'eau oxygénée

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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