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Catalyse homogène, hétérogène et enzymatique

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Objectifs :

Certaines réactions chimiques sont lentes. Donc, pour augmenter la vitesse d’une réaction, on peut utiliser un catalyseur.

• Quels sont les types de catalyses ?
• Comment le catalyseur intervient-il dans la transformation ?

1. Rôle d'un catalyseur et ses propriétés

a. Définition

• Un catalyseur est une espèce chimique qui augmente la vitesse d’une réaction chimique spontanée.

• Le catalyseur peut être un solide, un liquide ou plus rarement un gaz.

• Le catalyseur ne figure pas dans l’équation de la réaction ; il n’influence pas le sens d’évolution de la transformation, ni la composition du système dans l’état final.

b. Propriétés

• Le catalyseur est utilisé en très petite quantité.

• Le catalyseur est spécifique à une réaction donnée.

Par exemple, le cuivre est catalyseur des réactions de déshydrogénation (élimination d’une molécule de dihydrogène) des aldéhydes et des cétones, mais ne catalyse pas les réactions de déshydrogénation des alcanes.

• On parle d’autocatalyse lorsqu’un des produits de la réaction catalyse cette réaction.

• Une même réaction chimique peut être catalysée par différents types catalyseurs.

c. Influence sur la vitesse de réaction

La courbe A ci-contre représente l’évolution de la concentration molaire en eau oxygénée au cours du temps, à une température de 30°C. On obtient la courbe B lorsqu’on ajoute un catalyseur (platine par exemple), dans les mêmes conditions expérimentales.

L’eau oxygénée se décompose lentement. Au cours de cette transformation, il se forme de l’eau et du dioxygène gazeux selon l’équation :

On remarque que la quantité d’eau oxygénée décroît plus rapidement en présence d’un catalyseur que sans catalyseur. La vitesse de la réaction augmente en présence d’un catalyseur.

2. Les différents types de catalyse

a. Catalyse homogène

• Une catalyse est dite homogène lorsque le catalyseur et les réactifs forment une seule phase, généralement liquide ou gazeuse.

• La vitesse de la réaction augmente lorsque la concentration (molaire ou massique) en catalyseur augmente.

• Le catalyseur intervient au cours de la transformation chimique, mais il est régénéré tout au long de la réaction : on le trouve quasiment intact en fin de réaction.

Exemple :

La réaction de décomposition de l'eau oxygénée peut être catalysée par les ions fer (III) en solution aqueuse.
On la représente par :

.

Au cours de cette transformation, la couleur orange des ions fer (III) en solution disparaît puis réapparaît : les ions fer (III) ont participé à la transformation mais ont été régénérés en fin de réaction.

b. Catalyse hétérogène

• Une catalyse est dite hétérogène lorsque le catalyseur et les réactifs forment plusieurs phases. Généralement, le catalyseur est solide et les réactifs sont à l’état liquide ou gazeux.
La vitesse de la réaction augmente lorsque l’état de division du catalyseur augmente.

• En effet, plus la surface de contact entre le catalyseur et les réactifs est élevée, et plus la réaction est rapide. On utilise généralement un catalyseur en poudre ou en mousse plutôt qu’en fil ou en lame.

Exemple :

La réaction de décomposition de l'eau oxygénée peut être catalysée par le platine solide en solution aqueuse.

On la représente par :

Le platine n’est pas consommé. Le fil de platine n’est pas altéré par la réaction

c. Catalyse enzymatique

• Une catalyse est dite enzymatique si le catalyseur est une enzyme. Généralement, une enzyme ne catalyse qu’une seule réaction chimique.

• Une enzyme est une protéine élaborée par un être vivant qui contient un site actif.

Exemple :

La réaction de décomposition de l'eau oxygénée peut être catalysée par la catalase, enzyme présente dans le sang ou dans le navet. On la représente par :

d. Autocatalyse

Dans certains cas, un des produits de la réaction est un catalyseur de la réaction. Au fur et à mesure que le produit est formé, la vitesse de la réaction augmente. On dit que la réaction est auto-catalysée.

Exemple :

La réaction d’oxydoréduction entre les ions permanganate et l’acide oxalique est catalysée par les ions manganèse formés au cours de la réaction.

On la représente par :

3. Intérêt des catalyseurs dans le domaine industriel et le milieu biologique

a. Catalyse dans le domaine industriel

• Une des principales applications de la catalyse dans le domaine industriel est la dépollution des gaz d’échappements.

• Mais la catalyse est aussi utilisée dans de très nombreux autres domaines tels que :
- le raffinage pétrolier
- le traitement des eaux
- la production de dihydrogène
- la production de biocarburants
- le recyclage chimique des matières plastiques
- les réactions de polymérisation

• Les intérêts de l’utilisation des catalyseurs dans l’industrie chimique sont nombreux :
- utilisation plus faible de réactifs et création de moins de déchets : c’est moins coûteux en matières premières et plus écologique.
- les réactions sont plus rapides et permettent de faire des économies d’énergie.

b. Catalyse dans le milieu biologique

Les enzymes sont des protéines qui interviennent dans les réactions métaboliques des organismes vivants.

Chaque réaction est catalysée par une unique enzyme, qui est constituée d’un site actif propre au substrat. Le substrat est transformé en produits.

Voici un schéma présentant le mode d’action d’une enzyme :

Exemples :

• L’amylase alpha hydrolyse l’amidon en sucres.

• L’hydrolyse du saccharose est fonction de la température, du pH et de la concentration, mais les deux enzymes entrant en jeu sont l'alpha-glucosidase et la béta-fructosidase.

• Il existe plusieurs types d’enzymes selon le type de réaction qu’elles catalysent (par exemple, les oxydo-réductases catalysent les réactions d’oxydo-réduction).

• Outre leur importance dans les processus biologiques, les enzymes présentent un intérêt industriel.
On utilise en effet des enzymes dans les biotechnologies : production de lessives, production de sirop de fructose à partir d’amidon de maïs par exemple, production de la bière par fermentation de l’orge en acides aminés et sucres…

L'essentiel :

• Un catalyseur est une espèce chimique solide, liquide ou gazeuse, qui joue un rôle important dans le domaine industriel et biologique car il permet d’augmenter les vitesses de réaction sans être consommés.

• Il existe plusieurs types de catalyse : la catalyse homogène ( = réactifs et catalyseur forment une seule phase), la catalyse hétérogène ( = réactifs et catalyseur forment plusieurs phases) et la catalyse enzymatique.

• La catalyse a une grande importance dans le domaine biologique et dans le domaine industriel.

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