Catalyse - Définition

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Introduction

La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est en général en quantité beaucoup plus faible que les réactifs, n'est pas consommé et est retrouvé inchangé à la fin de la réaction. S'il est séparable facilement du milieu réactionnel, il pourra être recyclé dans une nouvelle synthèse.

Différents types de catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique...) peuvent être distingués selon la nature du catalyseur :

  • catalyse homogène, si le catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) et les réactifs ne forment qu'une seule phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) (souvent liquide) ;
  • catalyse hétérogène, si le catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) et les réactifs forment plusieurs phases (généralement un catalyseur solide pour des réactifs en phase gazeuse ou liquide) ;
  • La catalyse enzymatique est un cas particulier où le catalyseur est une enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant...), mais elle entre aisément dans les deux catégories sus-citées.

La catalyse peut être aussi classée en fonction du mécanisme mis en jeu. Ainsi nous pouvons avoir :

  • la catalyse acido-basique (générale ou spécifique) ;
  • la catalyse d'oxydo-réduction ;
  • la catalyse nucléophile ;
  • la catalyse de transfert de phase.

Un catalyseur ne modifie ni le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) 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...) 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...). De ce fait, un catalyseur ne permet pas d'accéder à des réactions impossibles sans lui. Cependant, comme il peut modifier très fortement la vitesse (On distingue :) d'une réaction spécifique parmi un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) possible, il permet d'obtenir sélectivement une réaction qui, sans lui, serait trop lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) (ou trop rapide), ou encore très minoritaire (ou trop majoritaire).

Histoire

Le pot catalytique (Le pot catalytique ou catalyseur est une amélioration récente du pot d'échappement...) 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...) possède des retombées quotidiennement pour le grand public. Un très grand nombre 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...) synthétiques, les médicaments, les additifs alimentaires.

Découverte

Le terme catalyse fut introduit par Berzélius en 1836 (du grec καταλύειν, qui signifie dénouer) lorsque le début du XIXe siècle fut propice à des études dans ce qui sera ce domaine. Dès 1814 Kirchhoff rapporte l'hydrolyse de l'amidon (L'amidon (du latin amylum, non moulu) est un glucide complexe (polyoside) composé de...) catalysée par les acides, en 1817 Humphry Davy (Sir Humphry Davy (17 décembre 1778 à Penzance, Cornouailles, Angleterre - 29 mai 1829...) découvre que l'introduction de platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) chaud dans un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) et de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) issus du charbon conduit à chauffer à blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir...) le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...). 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...) 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...) et de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la...). 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...) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) 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...) en chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de...) 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...) imprégnée de sels de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...). Peu de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) après, en 1877, Lemoine démontre que la décomposition l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions...) iodique en hydrogène et iode (L'iode est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole I et de...) 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 (L'esterification est une réaction en chimie organique permettant de synthétiser un ester....) 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 XXe 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...). Wilhelm Normann réalise l'hydrogénation (L'hydrogénation est une réaction chimique qui consiste en l'addition d'une molécule...) de l'acide oléique (L'acide oléique vient du latin oleum et veut dire huile. C'est le plus abondant des acides...) (acide cis-9-octadecenoïque C17H33COOH), liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...), en acide stéarique (L'acide stéarique (du grec « stear », qui signifie graisse) ou acide...) (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 au XXIe siècle dans de nombreux domaines (alimentation, pharmacie (La pharmacie (du grec φάρμακον/pharmakôn...), 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...) (NH3) à partir de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) et de l'hydrogène est réussie par Fritz Haber (Fritz Haber (9 décembre 1868 à Breslau, Allemagne - 29 janvier 1934...) à l'aide d'un appareil à haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) 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 (L’acide nitrique, parfois appelé acide azotique, est un composé chimique liquide...) (HNO3). En 1923, BASF (BASF est un groupe chimique allemand et le plus grand groupe de chimie au monde. Son siège...) commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un...) une usine de fabrication du méthanol (Le méthanol, également connu sous le nom d’alcool méthylique, de carbinol,...) à partir de monoxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) et d'hydrogène sur un catalyseur à base d'oxyde de zinc (L’oxyde de zinc est un composé chimique de formule « ZnO ». Il est...) et d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) 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, des alcènes et des 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...) et de cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de...). L'oxydation catalytique du dioxyde de soufre (Le dioxyde de soufre (ou anhydride sulfureux) est un composé chimique constitué de deux...) en trioxyde de soufre (Le trioxyde de soufre a pour formule chimique SO3.) sur de l'oxyde de vanadium (Le vanadium est un élément chimique, de symbole V et de numéro atomique 23.) V (V2O5) permet la synthèse à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) d'acide sulfurique (L'acide sulfurique (anciennement appelé huile de vitriol ou vitriol) est un composé...).

À la fin des années 1930, le craquage (Le craquage (cracking en anglais) est, en chimie, et plus particulièrement celle du...) catalytique apparaît, offrant la possibilité de rompre les liaisons C-C. Ce procédé, le procédé Houdry, utilise un catalyseur à base d'argile de type montmorillonite (La montmorillonite est un minéral composé de silicate d'aluminium et de magnésium...) traitée à l'acide, et permet de craquer les grosses molécules du pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de...), 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 »...) 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...) est mise au point, développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) et commercialisée 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...) important de ce développement. La polymérisation (La polymérisation désigne la réaction chimique, ou le procédé, permettant...) se développe grandement en profitant des molécules de base produites. Dans les années 1950 le polyéthylène (Le polyéthylène, ou polyéthène (sigle générique PE), est un des...), le polypropylène (Le polypropylène (ou polypropène) isotactique, de sigle PP (ou PPi) et de formule...), et le polybutadiène apparaissent grâce notamment au procédé Ziegler – Natta utilisant des catalyseurs à base d'organométalliques de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro...) et aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....). Le traitement du pétrole s'affirme avec l'hydrodésulfuration sur des catalyseurs à base de sulfure (En chimie, un sulfure est un composé chimique ou la combinaison de soufre avec un degré...) de cobalt et de molybdène (Le molybdène est un élément chimique, de symbole Mo et de numéro atomique 42.), l'hydrotraitement des naphtas sur des catalyseurs cobalt – molybdène déposé sur alumine (L’alumine ou oxyde d’aluminium, de formule chimique Al2O3, est un composé...).

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...) vont faire l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) 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...) de la taille des canaux. Les réactions mises en jeu conduisent à des molécules de plus en plus diverses : l'ammoxidation du propylène (Le propylène ou propène (nomenclature IUPAC) est un produit chimique organique de formule...) sur des catalyseurs à base d'oxydes de bismuth (Le bismuth est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole Bi et...) et de molybdène conduit à la fabrication d'acrylonitrile (L' Acrylonitrile (CH2=CH-C≡N), est un nitrile liquide hautement inflammable d'odeur...), alors que l'oxychloration de l'éthylène sur des catalyseurs à base de chlorure de cuivre conduit au chlorure de vinyle (Le chlorure de vinyle, également connu sous le nom de chloroéthène dans la...).

La décennie 1970 voit apparaître le pot d'échappement catalytique à base de platine, rhodium (Le rhodium est un élément chimique, de symbole Rh et de numéro atomique 45. Avec le...) 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 (Le glucose est un aldohexose, principal représentant des oses (sucres). Par convention, il est...) en fructose (Le fructose (ou lévulose) est un ose (sucre simple non-hydrolysable) du groupe des...). Les efforts entrepris lors de la découverte des zéolithes synthétiques se traduisent industriellement dans les années 1980, le procédé MTG (methanol to gasoline : « méthanol vers essence ») permet de fabriquer de l'essence à partir du méthanol grâce au zéolithe (Une zéolithe, ou zéolite est un minéral microporeux appartenant au groupe des...) 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 K (La vitamine K est une vitamine liposoluble (c'est-à-dire soluble dans les lipides, mais...)4 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.

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