Catalyse
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Classement selon la nature du catalyseur

La catalyse hétérogène

Les principes

La catalyse hétérogène s'appelle ainsi quand le catalyseur et les réactifs ne sont pas sous la même phase. L'immense majorité des cas de catalyse (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...) hétérogène fait intervenir un 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...) sous forme solide, les réactifs étant alors gazeux et/ou liquides. Par exemple, l'oxydation du 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 composée d'un atome de carbone et d'un atome...) (gaz) par l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) de l'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 l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et...) (gaz)en CO2 sur un 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...) platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) (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 réfraction que le verre) est...) (liquide) par l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) (gaz) en cyclohexane (liquide) sur nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) (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 plusieurs domaines :) 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. La...) suffit.

Mécanismes réactionnels

Considérons une réaction en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) 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...).

L'adsorption physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) 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 divers processus plus ou moins intenses. Ce phénomène a...)

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...) 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...) 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...) 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 il existe une multitude de...) adsorbée à la surface du catalyseur et une espèce non adsorbée.

Désorption

À 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...), 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 (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les...) réactionnel le reste du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) en attendant l'arrêt de la manipulation, c'est le cas dans les procédés de type batch (discontinus).

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 le processus d'amélioration...) 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, elle est...) et d'un point (Graphie) 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 méthodes scientifiques.) 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 (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 que x·y =...) 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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...) 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 avec une autre. La théorie...) central (généralement un atome métallique)
  • ΔOS : changement de l'état d'oxydation de l'atome central
  • ΔCN : changement du nombre de coordination
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