Sciences · Chimie
Les catalyseurs
Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction chimique sans être consommée. Il abaisse l’énergie nécessaire pour la déclencher. Les enzymes du vivant et le pot catalytique des voitures sont des catalyseurs.
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Un morceau de sucre ne brûle pas quand on l’approche d’une flamme ; saupoudré d’un peu de cendre, il s’enflamme. L’eau oxygénée se décompose lentement dans son flacon, mais vivement au contact d’une plaie. Dans les deux cas, une substance accélère la réaction sans y être consommée : c’est un catalyseur. Près de 90 % des procédés de l’industrie chimique en utilisent, et sans les catalyseurs biologiques que sont les enzymes, la vie serait impossible.
Le mot a été introduit en 1835 par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius, du grec katalusis, « dissolution ».
Comment agit un catalyseur ?
Pour qu’une réaction démarre, les molécules doivent franchir une barrière d’énergie, l'énergie d’activation, qui correspond à la rupture partielle de leurs liaisons. Le catalyseur offre un autre chemin réactionnel, avec des étapes intermédiaires dont la barrière est plus basse. À température égale, beaucoup plus de molécules peuvent la franchir : la réaction est plus rapide.
Ce qu’un catalyseur ne fait pas
- Il ne rend pas possible une réaction impossible : il n’accélère que des réactions thermodynamiquement favorables.
- Il ne modifie pas l’état d’équilibre final ni l’énergie libérée : il permet seulement de l’atteindre plus vite.
- Il n’est pas consommé, même s’il participe aux étapes intermédiaires ; une petite quantité suffit donc. Il peut toutefois s’user, s’encrasser ou être « empoisonné » par des impuretés.
Les trois types de catalyse
| Type | Principe | Exemples |
|---|---|---|
| Homogène | catalyseur et réactifs dans la même phase (souvent en solution) | ions fer pour décomposer l’eau oxygénée, acides en chimie organique |
| Hétérogène | catalyseur solide, réactifs gazeux ou liquides ; la réaction a lieu à sa surface | pot catalytique, procédé Haber-Bosch, hydrogénation des huiles |
| Enzymatique | catalyseur biologique : une protéine, l’enzyme | digestion, respiration cellulaire, lessives « bio » |
En catalyse hétérogène, l’efficacité dépend de la surface de contact : on utilise des poudres fines ou des structures poreuses, comme le nid d’abeilles céramique d’un pot catalytique.
Exemple de laboratoire : l’eau oxygénée
L’eau oxygénée (peroxyde d’hydrogène) se décompose spontanément, mais très lentement :
2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂
On accélère nettement la réaction avec :
- du dioxyde de manganèse (MnO₂), poudre noire : catalyse hétérogène ;
- des ions fer III en solution : catalyse homogène ;
- la catalase, enzyme présente dans le sang, le foie ou la pomme de terre : catalyse enzymatique. D’où la mousse blanche qui se forme quand on désinfecte une plaie.
Le dégagement de dioxygène se vérifie en approchant une allumette incandescente, qui se rallume.
Les grands catalyseurs industriels
Le procédé Haber-Bosch
La synthèse de l'ammoniac à partir du diazote de l’air et du dihydrogène, N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃, est extrêmement lente sans aide. Fritz Haber la met au point au laboratoire en 1909 ; Carl Bosch l’industrialise chez BASF à partir de 1913, avec un catalyseur à base de fer, à environ 400-500 °C et sous 150 à 300 bars. L’ammoniac sert surtout à fabriquer les engrais azotés ; on estime qu’environ la moitié de l’humanité est aujourd’hui nourrie grâce à eux. Haber a reçu le prix Nobel de chimie 1918, Bosch celui de 1931.
Le pot catalytique
Obligatoire sur les voitures neuves à essence dans l’Union européenne depuis 1993, le pot catalytique contient une fine couche de platine, de palladium et de rhodium déposée sur une céramique en nid d’abeilles. Il transforme les gaz les plus nocifs de l’échappement :
- le monoxyde de carbone (CO) en dioxyde de carbone (CO₂) ;
- les hydrocarbures imbrûlés en CO₂ et en eau ;
- les oxydes d’azote (NOₓ) en diazote (N₂).
Il ne fonctionne bien qu’une fois chaud et ne réduit pas les émissions de CO₂. Le plomb, autrefois ajouté à l’essence, l’empoisonnait : c’est l’une des raisons de l’abandon de l’essence plombée.
D’autres exemples
| Procédé | Catalyseur | Produit |
|---|---|---|
| Procédé de contact | oxyde de vanadium | acide sulfurique |
| Procédé Ostwald | platine-rhodium | acide nitrique (engrais, explosifs) |
| Craquage catalytique | zéolithes | essence à partir de fractions lourdes du pétrole |
| Hydrogénation | nickel | margarines à partir d’huiles végétales |
| Polymérisation (Ziegler-Natta) | composés de titane et d’aluminium | polyéthylène, polypropylène |
Le chimiste allemand Wilhelm Ostwald reçoit le prix Nobel de chimie 1909, notamment pour ses travaux sur la catalyse.
Les enzymes, catalyseurs du vivant
Les enzymes sont des protéines qui catalysent presque toutes les réactions des êtres vivants. Elles sont remarquablement efficaces, accélérant certaines réactions de millions de fois ou davantage, et spécifiques : chacune ne reconnaît qu’un type de molécule, qui s’insère dans son site actif comme une clé dans une serrure.
- L'amylase de la salive commence à digérer l’amidon (un morceau de pain mâché longtemps prend un goût sucré).
- La pepsine de l’estomac coupe les protéines.
- La lactase digère le lactose du lait ; sa diminution après l’enfance explique l’intolérance au lactose.
- Les enzymes de la respiration cellulaire et de la photosynthèse gèrent les flux d’énergie du vivant.
Les enzymes fonctionnent à température et pH modérés ; la chaleur les dénature, ce qui explique pourquoi une fièvre très élevée est dangereuse. Elles sont utilisées dans les lessives, l’industrie alimentaire (fromage, bière) et les biotechnologies.
Questions fréquentes
Un catalyseur est-il consommé pendant la réaction ?
Non. Il participe aux étapes intermédiaires mais est entièrement régénéré à la fin. Il peut néanmoins se dégrader avec le temps ou être empoisonné par des impuretés.
Quelle est la différence entre un catalyseur et un réactif ?
Un réactif est transformé et disparaît au cours de la réaction ; un catalyseur n’apparaît pas dans l’équation bilan et se retrouve intact à la fin.
Qu’est-ce qu’une enzyme ?
Une protéine produite par les êtres vivants qui catalyse une réaction chimique précise, comme la digestion de l’amidon par l’amylase.
Un catalyseur peut-il ralentir une réaction ?
Par définition, non. Les substances qui ralentissent une réaction s’appellent des inhibiteurs ; elles sont utilisées par exemple comme conservateurs ou antioxydants.