CATALYSE

Carte mentale

Élargissez votre recherche dans Universalis

Le terme catalyse a été forgé par Berzelius en 1835 pour désigner l'ensemble des effets chimiques produits par les catalyseurs. On appelle catalyseur « toute substance qui altère la vitesse d'une réaction chimique sans apparaître dans les produits finaux » (Ostwald, 1902). La catalyse est donc une branche de la cinétique chimique qui, de façon plus générale, étudie l'influence de tous les facteurs physiques ou chimiques déterminant les vitesses de réaction.

La notion de catalyseur est intuitive et elle est passée dans le langage courant pour désigner, par exemple, une personne physique ou morale provoquant par son action ou son exemple une importante transformation politique ou sociale, dont elle n'est pas le moteur.

La définition du catalyseur s'est précisée peu à peu et s'est progressivement distinguée de celle assez voisine de l'initiateur.

Un initiateur est une substance qui produit aussi l'accélération de certains processus chimiques, mais, ce faisant, il est nécessairement détruit. Les peroxydes organiques sont, par exemple, des initiateurs de la polymérisation du styrolène liquide en polystyrènes solides (matières plastiques).

Il en est de même des inhibiteurs, improprement nommés catalyseurs négatifs, ou anticatalyseurs, qui ralentissent fortement ou même suppriment certaines réactions. Des antioxygènes tels que les alcoylphénols inhibent l'oxydation du caoutchouc par l'oxygène de l'air.

Les peroxydes initiateurs et les alcoylphénols sont consommés et chimiquement dénaturés au cours de leur action. Au contraire, un catalyseur reste identique à lui-même au cours de la catalyse et peut ainsi, en principe, être indéfiniment réutilisé. Par exemple, le platine ou le palladium divisés catalysent la combinaison des gaz hydrogène et oxygène en eau (Davy, 1817). Moyennant certaines précautions, ces catalyseurs peuvent provoquer la combinaison de quantités aussi grandes que l'on veut d'hydrogène et d'oxygène.

En pratique néanmoins, par suite de réactions parasites, le catalyseur a une durée de vie limitée ; son action s'affaiblit au cours du temps et s'interrompt complètement au bout de quelques heures ou de quelques années. Cette désactivation n'est pas intrinsèquement liée au mécanisme de la catalyse, mais à des effets physiques (haute température) ou chimiques (présence d'impuretés) parfois réversibles, la réactivation étant alors possible par des procédés simples. La longévité d'un catalyseur peut être mesurée par la quantité de matière qu'il a transformée par unité de masse avant sa disparition : ce rapport théoriquement infini est souvent très élevé (102 à 106). S'il est très faible (quelques unités), on peut se demander s'il y a vraiment catalyse.

On distingue la catalyse homogène et la catalyse hétérogène ; dans le premier cas, le catalyseur est dissous dans le milieu (gaz ou liquide) où se produit la réaction ; dans le second, le catalyseur est un solide au contact de ce milieu, d'où le nom de catalyse de contact. La séparation du catalyseur des produits de la réaction est alors grandement simplifiée.

L'importance pratique de la catalyse dans l'industrie chimique est considérable. Presque tous les produits de grande consommation sont passés par une catalyse à un ou plusieurs stades de leur élaboration : essences et huiles de voiture (cracking, reforming, hydrofining), détergents (alcoylation), caoutchoucs, matières plastiques et fibres synthétiques (synthèse des monomères et polymérisation) et même notre pain quotidien, qui, produit direct d'une catalyse enzymatique, est le produit indirect des engrais azotés de synthèse (catalyse de l'ammoniac).

Thermodynamique et catalyse

L'effet du catalyseur ne peut être que cinétique ; par définition, il se retrouve en effet intact en fin de réaction : sa présence ne peut donc modifier les grandeurs thermodynamiques caractéristiques (variations d'enthalpie ΔH0, d'enthalpie libre ΔG0) et la constante d'équilibre liée à ces grandeurs. Les conséquences de cette remarque sont très importantes. En premier lieu, il ne faut pas espérer obtenir, en présence d'un catalyseur, une réaction thermodynamiquement impossible dans les conditions de l'expérience (ΔG0 positif et grand). Ainsi, dans les conditions habituelles, la combinaison de l'azote et de l'oxygène de l'air en oxydes d'azote (N2O, NO, NO2) ne peut se faire, quel que soit le catalyseur envisagé, circonstance heureuse pour notre espèce. En revanche, la combinaison de l'hydrogène et de l'oxygène est possible, mais sa vitesse est nulle dans les mêmes circonstances, sauf en présence d'un catalyseur adéquat. Celle de l'azote et de l'hydrogène en ammoniac l'est aussi, mais, jusqu'à ce jour, aucun catalyseur n'a été trouvé capable de lui donner une vitesse notable au voisinage de la température ambiante. Cet important problème n'est pas résolu, mais il n'est pas insoluble.

En deuxième lieu, puisque le catalyseur ne peut déplacer la position finale d'un équilibre chimique, mais qu'il diminue fortement le temps nécessaire pour l'atteindre, c'est qu'il accélère dans le même rapport les vitesses des deux réactions inverses dont l'égalité est la condition de l'équilibre. Ainsi, le même catalyseur doit accélérer la synthèse et la décomposition de l'ammoniac en ses éléments, le fer par exemple. On peut alors trouver le catalyseur d'une réaction donnée en recherchant le catalyseur de la réaction inverse, pour les couples hydrogénation-déshydrogénation, hydratation-déshydratation. Pour la même raison, l'influence de la quantité de catalyseur (plus précisément de sa concentration) sur les deux réactions inverses doit s'exprimer par la même loi, et les formules cinétiques exprimant leurs vitesses doivent contenir les produits de concentrations de la loi d'action de masse.

Soit la réaction :

la condition thermodynamique de l'équilibre est :
et la condition cinétique : v1 = v2.

Pour que ces deux conditions soient identiques, on peut avoir :

avec K = k1/k2, f (K) fonction de la concentration en catalyseur K et ( ) fonction des concentrations des corps en réaction. Les fonctions (K) et (K) s'éliminent ainsi dans l'égalité cinétique. La forme des fonctions f et g, et la valeur absolue de k1 et k2 varient en général avec le catalyseur utilisé, et ces facteurs dépendent de la température. Ainsi, pour certains catalyseurs et dans un domaine limité des variables, on aurait :
p, q étant des exposants empiriques constants.

Dans tous les cas très simples qui précèdent, l'évolution du système chimique initial est pratiquement univoque. Mais, dans beaucoup d'autres cas, le système peut évoluer dans plusieurs directions thermodynamiquement permises ; cette situation est particulièrement fréquente avec les composés du [...]

1  2  3  4  5
pour nos abonnés,
l’article se compose de 13 pages

Médias de l’article

Diagramme énergétique

Diagramme énergétique
Crédits : Encyclopædia Universalis France

graphique

Métaux de transition : structure

Métaux de transition : structure
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Fer carbonyle butadiène

Fer carbonyle butadiène
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Sel de Zeise

Sel de Zeise
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Afficher les 8 médias de l'article


Écrit par :

  • : ingénieur I.P.S.O.I., docteur ès sciences, directeur de recherche au C.N.R.S., au Centre de recherche rétrospective de Marseille, président de la Société française de bibliométrie appliquée
  • : professeur de chimie à l'université de Lyon-I-Claude-Bernard

Classification

Autres références

«  CATALYSE  » est également traité dans :

ABZYMES

  • Écrit par 
  • Joël CHOPINEAU, 
  • Alain FRIBOULET, 
  • Sabine PILLE, 
  • Daniel THOMAS
  • , Universalis
  •  • 1 035 mots

Le concept d'anticorps catalytique, ou abzyme (contraction d’ antibody et enzyme ), fut énoncé dès les années 1940 par Linus Pauling. S’appuyant sur le fait que la réaction chimique de transformation d'une molécule en une autre passe par un état de transition, qui représente une barrière énergétique à franchir, Pauling suggéra qu'une enzyme, pour favoriser une réaction, abaisse cette barrière én […] Lire la suite

ACIDES & BASES

  • Écrit par 
  • Yves GAUTIER, 
  • Pierre SOUCHAY
  •  • 12 613 mots
  •  • 7 médias

Dans le chapitre « Catalyse acido-basique »  : […] Certaines réactions sont accélérées par la présence de substances étrangères (fréquemment il suffit de très faibles quantités), que l'on trouve inchangées en fin de réaction et que l'on nomme catalyse urs . Lorsqu'en solution le catalyseur est constitué par les ions H + ou OH — , on dit qu'il y a « catalyse acidobasique ». Un des exemples les plus anciennement connus est l'inversion du sucre (tra […] Lire la suite

ANTIOXYGÈNES

  • Écrit par 
  • Robert PANICO
  •  • 2 343 mots
  •  • 2 médias

Dans le chapitre « Catalyse »  : […] La scission homolytique de la liaison R—H d'un composé autoxydable peut être obtenue de diverses manières : –  par irradiation ultraviolette   : l'absorption d'énergie lumineuse par la substance autoxydable facilite la rupture de la liaison R—H ; —   par action de catalyseurs   : les peroxydes organiques, en particulier le peroxyde de benzoyle, fournissent, par décomposition thermique, des radic […] Lire la suite

ARGILES

  • Écrit par 
  • Daniel BEAUFORT, 
  • Maurice PAGEL
  •  • 2 646 mots
  •  • 7 médias

Dans le chapitre « Argiles et origine du monde vivant »  : […] L' origine de la vie pourrait se trouver dans les propriétés catalytiques des surfaces des minéraux argileux qui auraient favorisé la polymérisation de molécules organiques complexes capables de donner naissance à des structures moléculaires aussi complexes que l'ARN. Les phyllosilicates auraient alors non seulement fourni les surfaces catalytiques nécessaires à la synthèse des molécules complexe […] Lire la suite

ARN (acide ribonucléique) ou RNA (ribonucleic acid)

  • Écrit par 
  • Marie-Christine MAUREL
  •  • 2 764 mots
  •  • 2 médias

Dans le chapitre « Des fossiles moléculaires à ARN ? »  : […] Ce qui est réalisable in vitro dans nos laboratoires a-t-il pu se produire il y a 3,8 milliards d'années ? Personne ne peut l'affirmer, mais il est clair que, à partir de toutes ces données, on peut aujourd'hui dessiner le contour d'un hypothétique scénario de ce que furent les étapes clés de l'histoire naturelle du vivant. Certains virus à ARN présentent des motifs catalytiques agissant au cours […] Lire la suite

CATALYSEURS MÉTALLOCÈNES

  • Écrit par 
  • Roger SPITZ
  •  • 2 051 mots
  •  • 5 médias

Dans le chapitre « Les métallocènes  »  : […] L'une des approches les plus productives à l'échelle du laboratoire pour contrôler l'enchaînement des unités de monomères est l'utilisation de composés organométalliques, plus précisément le développement de la catalyse par des complexes de coordination, c'est-à-dire des composés capables de s'associer avec les monomères pour les activer. Au cours des années 1990, cette méthode est passée du labor […] Lire la suite

CHIMIE - Histoire

  • Écrit par 
  • Élisabeth GORDON, 
  • Jacques GUILLERME, 
  • Raymond MAUREL
  •  • 11 167 mots
  •  • 7 médias

Dans le chapitre « La chimie des interfaces »  : […] Elle concerne toutes les réactions et plus généralement tous les phénomènes qui s'effectuent à l' interface de deux milieux : liquide-solide, solide-solide, solide-gaz. Elle joue un très grand rôle en biologie ainsi que dans de nombreux domaines de la chimie (catalyse hétérogène, électrochimie, science des matériaux, membranes, problèmes d'adhésion, de collage, etc.). La catalyse hétérogène conce […] Lire la suite

CHIMIE - La chimie aujourd'hui

  • Écrit par 
  • Pierre LASZLO
  •  • 10 834 mots
  •  • 3 médias

Dans le chapitre « Catalyse hétérogène »  : […] Les réactants et le catalyseur se trouvent dans des phases distinctes (d'où le qualificatif « hétérogène ») : un catalyseur solide et des réactants le plus souvent en phase gazeuse. Ainsi, les molécules gazeuses diffusent jusqu'à ce qu'elles s'adsorbent (s'accrochent) à des atomes à la surface du catalyseur. On assiste alors à l'affaiblissement ou à la rupture de liaisons chimiques dans les mol […] Lire la suite

CHIMIE - Chimie durable

  • Écrit par 
  • Hagop DEMIRDJIAN
  •  • 2 942 mots
  •  • 3 médias

Dans le chapitre « La catalyse : pilier de la chimie verte »  : […] La catalyse joue un rôle central dans la chimie moderne et est considérée comme le pilier de la chimie verte. En effet, elle permet de réduire la consommation d'énergie, ce qui présente un intérêt économique et environnemental, de diminuer les efforts de séparation, puisqu'elle augmente la sélectivité des réactions, et de diminuer la quantité de réactifs utilisés. La synthèse de l'ibuprofène est […] Lire la suite

CINÉTIQUE CHIMIQUE

  • Écrit par 
  • Lucien SAJUS
  •  • 9 664 mots
  •  • 6 médias

Dans le chapitre « Schéma réactionnel »  : […] Le fait que les réactifs interviennent dans l'équation cinétique par des relations plus ou moins complexes, qui souvent ne sont plus représentables par un ordre, indique bien que la plupart des réactions ne se ramènent pas à un acte unique entre les diverses molécules présentes dans l'équation stœchiométrique, mais se réalisent par un enchaînement d'étapes élémentaires : cet ensemble constitue l […] Lire la suite

Voir aussi

Pour citer l’article

Henri Jean-Marie DOU, Jean-Eugène GERMAIN, « CATALYSE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/catalyse/