Définition et rôle du catalyseur
Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans être consommée globalement (il est régénéré en fin de cycle). Il n'apparaît pas dans le bilan de la réaction.
Propriétés fondamentales : - N'apparaît pas dans le bilan de la réaction (il est consommé puis régénéré). - N'agit pas sur l'équilibre : la constante K n'est pas modifiée par le catalyseur. - Abaisse l'énergie d'activation Ea : il offre un chemin réactionnel alternatif de plus basse énergie.
Conséquence : à même température, la fraction de chocs efficaces est plus grande → vitesse augmentée.
Profil énergétique et énergie d'activation
Le profil énergétique représente l'énergie potentielle le long de la coordonnée de réaction. Le complexe activé (ou état de transition ‡) est le point de plus haute énergie sur le chemin réactionnel.
Pour une réaction non catalysée : - Ea non cat. = hauteur de la barrière énergétique entre réactifs et état de transition ‡.
Pour la réaction catalysée : - Ea cat. < Ea non cat. : le catalyseur stabilise l'état de transition ou offre un mécanisme en plusieurs étapes de plus basse barrière.
Le ΔH de la réaction est inchangé : les niveaux d'énergie des réactifs et des produits restent identiques.
Catalyse homogène
En catalyse homogène, le catalyseur est dans la même phase que les réactifs (ex: catalyseur en solution aqueuse, réactifs en solution).
Exemple classique — oxydation des ions iodure I⁻ par le peroxyde d'hydrogène H₂O₂ : H₂O₂ + 2 I⁻ + 2 H⁺ → 2 H₂O + I₂ (lente sans catalyseur)
En présence de Fe³⁺ (catalyseur homogène) : - Étape 1 : 2 Fe³⁺ + 2 I⁻ → 2 Fe²⁺ + I₂ (rapide) - Étape 2 : 2 Fe²⁺ + H₂O₂ + 2 H⁺ → 2 Fe³⁺ + 2 H₂O (rapide)
Fer (Fe) est régénéré : il s'agit bien d'un catalyseur.
Autre exemple : catalyse acide-base (protonation d'un intermédiaire pour abaisser la barrière).
Catalyse hétérogène
En catalyse hétérogène, le catalyseur est dans une phase différente des réactifs (généralement un solide en contact avec des réactifs gazeux ou en solution).
Mécanisme général (4 étapes) : 1. Adsorption des réactifs à la surface du catalyseur. 2. Diffusion sur la surface vers les sites actifs. 3. Réaction sur les sites actifs (liaisons activées, barrière Ea abaissée). 4. Désorption des produits.
Exemples industriels majeurs : - Catalyseur Fe/Al₂O₃ dans le procédé Haber-Bosch (synthèse de NH₃). - Pt/Pd/Rh dans le pot catalytique automobile (oxydation CO, HC ; réduction NOₓ). - V₂O₅ dans le procédé de contact (oxydation SO₂ → SO₃ pour H₂SO₄).
Catalyse enzymatique
Les enzymes sont des protéines qui catalysent les réactions biochimiques dans les cellules. Ce sont des catalyseurs biologiques d'une efficacité et d'une spécificité remarquables.
Caractéristiques : - Spécificité de substrat : chaque enzyme catalyse une réaction précise (verrouillure et clé, ou modèle ajustement induit). - Site actif : poche tridimensionnelle de l'enzyme où se lie le substrat S pour former le complexe enzyme-substrat ES. - Cinétique de Michaelis-Menten : v = Vmax [S] / (Km + [S]), où Km est la constante de Michaelis (concentration pour v = Vmax/2).
Exemples : - Amylase : hydrolyse de l'amidon en maltose (salive, pancréas). - Catalase : décomposition de H₂O₂ → H₂O + ½ O₂ (kcat ~ 10⁷ s⁻¹ — parmi les enzymes les plus rapides). - Peroxydase de raifort (HRP) : oxydation de substrats chromogènes (utilisée en biologie analytique).
Applications industrielles et environnementales
- Craquage catalytique (raffinerie) : zéolithes convertissent les hydrocarbures lourds en essence.
- Hydrogénation des corps gras : [Ni] solide convertit les huiles insaturées en graisses saturées.
- Dépollution atmosphérique : pots catalytiques réduisent CO, NOₓ et HC de plus de 90 %.
- Biocatalyse industrielle : synthèse d'acides aminés, de médicaments (antibiotiques semi-synthétiques) par voie enzymatique.