La chimie à l’école — Années 1 à 12 · Grades 1–12

42La catalyse

Un flacon d’eau oxygénée reste des mois dans l’armoire de la salle de bains sans changer. Versée sur un genou écorché, elle mousse aussitôt : quelque chose dans le sang la fait se décomposer en quelques secondes en eau et en dioxygène. Ce quelque chose n’est pas consommé, et il n’apparaît pas dans l’équation de la réaction : c’est un catalyseur. Les catalyseurs rendent possible la plus grande partie de l’industrie chimique, dépolluent les gaz d’échappement des voitures, et font fonctionner toutes les réactions du vivant.

Rappel

La vitesse d’une réaction et les facteurs cinétiques qui la modifient (Chapitre 41). Un mécanisme est une suite d’actes élémentaires, qui passe par des intermédiaires (Chapitre 40).

42.1 Qu’est-ce qu’un catalyseur ?

Définition 42.1 (Catalyseur, catalyse)

Un catalyseur est une espèce qui rend une réaction plus rapide sans être consommée : il participe au mécanisme mais il est restitué, inchangé, à la fin, et il n’apparaît pas dans l’équation globale. L’accélération d’une réaction par un catalyseur est la catalyse.

Proposition 42.2 (Un catalyseur change le chemin, pas la destination)

Un catalyseur ouvre un autre mécanisme, dont les barrières d’énergie sont plus basses que celle de la réaction non catalysée, si bien qu’une plus grande part des rencontres entre particules aboutit. Il ne change ni les produits formés, ni l’état final atteint ; il l’atteint seulement plus tôt.

Démonstration. Admis : le profil est étudié dans le volume de première année d’université. Que l’état final soit inchangé découle du fait que le catalyseur est restitué : la réaction globale, réactifs et produits, est la même. ∎

À gauche : l’énergie le long de la réaction ; le chemin catalysé passe par un intermédiaire et deux barrières plus basses. À droite : le dioxygène dégagé par une solution de peroxyde d’hydrogène ; le catalyseur accélère la réaction, mais le volume final est le même. (Courbes modèles.)

42.2 La catalyse homogène

Définition 42.3 (Catalyse homogène et hétérogène)

La catalyse est une catalyse homogène quand le catalyseur est dans la même phase que les réactifs (par exemple dissous avec eux), une catalyse hétérogène quand il est dans une autre phase, le plus souvent un solide dont les réactifs atteignent la surface depuis un gaz ou un liquide.

Exemple 42.4 (Les ions iodure et le peroxyde d’hydrogène)

Le peroxyde d’hydrogène se décompose très lentement de lui-même : $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ . Si l’on y dissout un peu d’iodure de potassium, il mousse aussitôt. L’ion iodure ouvre un chemin en deux étapes :

\ce{H2O2 + I- -> H2O + IO-}, \qquad \ce{H2O2 + IO- -> H2O + O2 + I-} .

La somme des deux étapes redonne $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ : l’ion iodure, consommé lors de la première étape et restitué lors de la seconde, est le catalyseur ; l’ion $\ce{IO-}$ est un intermédiaire.

Exemple 42.5 (Les ions fer(III))

Les ions fer(III) catalysent eux aussi la décomposition, par l’intermédiaire du couple $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ (Chapitre 35) : ils oxydent d’abord le peroxyde d’hydrogène, $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ , puis les ions fer(II) formés sont réoxydés par une autre partie du peroxyde d’hydrogène, $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . La couleur orange pâle de la solution vire au verdâtre pendant le dégagement gazeux, puis réapparaît quand le peroxyde d’hydrogène est épuisé : signe que le catalyseur participe à la réaction et qu’il est régénéré.

42.3 La catalyse hétérogène

De nombreux catalyseurs industriels sont des solides : des métaux comme le platine, le palladium, le nickel ou le fer, ou des oxydes. La réaction a lieu à leur surface, en trois temps : les molécules de réactif sont retenues à la surface (adsorbées), où leurs liaisons sont affaiblies ; elles y réagissent ; les produits quittent la surface, qui redevient libre pour de nouvelles molécules. On fabrique donc un catalyseur avec une surface aussi grande que possible : poudre fine, ou fine couche déposée sur un support poreux.

Addition du dihydrogène sur l’éthène à la surface d’un métal : adsorption, réaction, désorption. Le métal est restitué inchangé.

Exemple 42.6 (Le pot catalytique)

Les gaz d’échappement d’un moteur à essence contiennent du monoxyde de carbone et du monoxyde d’azote, tous deux toxiques, ainsi que du carburant imbrûlé. Dans le pot catalytique, un nid d’abeilles en céramique recouvert de platine et de rhodium, ils réagissent à la surface du métal :

\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2} ,

et les hydrocarbures brûlent en dioxyde de carbone et en eau. Les gaz traversent le pot en une fraction de seconde, trop vite pour qu’une réaction quelconque ait lieu sans catalyseur.

Un pot catalytique, coupé dans sa longueur : des milliers de fins canaux offrent aux gaz d’échappement une immense surface recouverte de métal.

Un pot catalytique ouvert : le cœur en nid d’abeilles.

Histoire des sciences — Haber, Bosch et l’ammoniac

Au début du xx^e siècle, le chimiste Fritz Haber trouva comment combiner l’azote de l’air avec l’hydrogène, $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$ , sur un catalyseur à base de fer, et l’ingénieur Carl Bosch en fit un procédé industriel. Celui-ci fonctionne encore aujourd’hui, entre 400 et $500\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et entre 150 et $250\,\mathrm{atm}$ . En 2024, le monde a produit de l’ammoniac contenant environ 150 millions de tonnes d’azote, en majeure partie pour les engrais : une grande part de l’azote des aliments que nous mangeons est passée par un tel catalyseur.

42.4 Les enzymes

Définition 42.7 (Enzyme)

Une enzyme est une protéine fabriquée par un être vivant, qui catalyse une réaction de sa chimie. Les enzymes sont très efficaces et très spécifiques : chacune ne convient qu’à quelques molécules, et elles fonctionnent au mieux dans un domaine étroit de température et d’acidité.

Exemple 42.8 (La catalase)

Le peroxyde d’hydrogène se forme dans les cellules comme sous-produit, et il leur est nocif. La catalase, une enzyme présente dans le sang, le foie et de nombreux tissus végétaux, le décompose en eau et en dioxygène à une vitesse énorme : c’est la mousse sur un genou écorché, ou sur une tranche de pomme de terre crue. Une pomme de terre cuite à l’eau ne donne pas de mousse : la cuisson a détruit la forme de l’enzyme.

De l’eau oxygénée sur une tranche de pomme de terre crue : la catalase à l’œuvre.

42.5 La sélectivité

Définition 42.9 (Catalyseur sélectif)

Quand les mêmes réactifs peuvent donner plusieurs réactions, un catalyseur sélectif accélère l’une d’elles beaucoup plus que les autres, et décide ainsi des produits formés.

Exemple 42.10 (Deux destins pour l’éthanol)

De la vapeur d’éthanol chaude, passée sur de l’alumine, perd de l’eau et donne de l’éthène, $\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ (une élimination) ; passée sur du cuivre chaud, elle perd du dihydrogène et donne de l’éthanal, $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . Même réactif, deux catalyseurs, deux produits.

Remarque 42.11 (L’industrie et le vivant fonctionnent grâce aux catalyseurs)

La plupart des produits de l’industrie chimique, des carburants aux matières plastiques et aux engrais, sont fabriqués à l’aide de catalyseurs ; trouver un catalyseur plus actif ou plus sélectif économise de l’énergie et réduit les déchets. Chaque réaction d’une cellule vivante est catalysée par une enzyme.

Sécurité

Le peroxyde d’hydrogène concentré est un oxydant puissant qui peut entretenir un incendie ; il brûle la peau et les yeux, et il est nocif en cas d’ingestion. Les solutions diluées du laboratoire exigent malgré tout lunettes et gants ; la décomposition libère du dioxygène, on ne la réalise donc jamais dans un récipient fermé.

42.6 Exercices

Exercice 42.1 ★

Dans la décomposition du peroxyde d’hydrogène catalysée par les ions iodure, quelles espèces sont des réactifs, lesquelles sont des produits, laquelle est le catalyseur, laquelle est un intermédiaire ?

Solution

Solution de Exercice 42.1.

Réactif : $\ce{H2O2}$ . Produits : $\ce{H2O}$ et $\ce{O2}$ . Catalyseur : $\ce{I-}$ (consommé lors de l’étape 1, restitué lors de l’étape 2). Intermédiaire : $\ce{IO-}$ (formé lors de l’étape 1, consommé lors de l’étape 2).

Exercice 42.2 ★

Catalyse homogène ou hétérogène : des ions iodure dans de l’eau oxygénée ; le platine d’un pot catalytique ; le fer de la synthèse de l’ammoniac ; des ions fer(III) dans de l’eau oxygénée ?

Solution

Solution de Exercice 42.2.

Homogène ; hétérogène ; hétérogène ; homogène.

Exercice 42.3 ★

Sur les profils énergétiques, quel chemin présente la barrière la plus haute ? Les énergies de départ et d’arrivée sont-elles les mêmes sur les deux chemins ? Qu’est-ce que cela signifie pour les produits ?

Solution

Solution de Exercice 42.3.

Le chemin non catalysé. Les niveaux de départ et d’arrivée sont les mêmes : les mêmes produits se forment, avec la même énergie libérée ; seul le chemin diffère.

Exercice 42.4 ★

Pourquoi un catalyseur n’apparaît-il pas dans l’équation globale d’une réaction ?

Solution

Solution de Exercice 42.4.

Il est consommé lors d’une étape et restitué lors d’une autre : il apparaît des deux côtés de la somme des étapes, et s’élimine.

Exercice 42.5 ★

Pourquoi les catalyseurs solides de l’industrie sont-ils utilisés sous forme de poudres fines ou de fines couches sur des supports poreux ?

Solution

Solution de Exercice 42.5.

La réaction a lieu à la surface : plus la surface est grande, plus il y a de molécules qui peuvent réagir à la fois, pour une même masse de catalyseur (souvent coûteux).

Exercice 42.6 ★★

Additionner les deux étapes de la décomposition du peroxyde d’hydrogène catalysée par les ions fer(III), et montrer que les ions fer et les ions hydrogène s’éliminent.

Solution

Solution de Exercice 42.6.

Somme : $\ce{2Fe^{3+} + 2H2O2 + 2Fe^{2+} + 2H+ -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+ + 2Fe^{3+} + 2H2O}$ . Les ions fer et les ions hydrogène apparaissent des deux côtés et s’éliminent : $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

Exercice 42.7 ★★

Lire les courbes du dioxygène dégagé. Combien de temps faut-il à chaque expérience pour libérer la moitié du volume final ? Par quel facteur le catalyseur raccourcit-il cette durée ?

Solution

Solution de Exercice 42.7.

La moitié de $72\,\mathrm{mL}$ , soit $36\,\mathrm{mL}$ , est atteinte au bout d’environ $35\,\mathrm{min}$ sans catalyseur et de $3.5\,\mathrm{min}$ avec. Le catalyseur raccourcit cette durée d’un facteur dix.

Exercice 42.8 ★★

On n’utilise pas d’essence au plomb dans les voitures équipées d’un pot catalytique : le plomb se dépose sur le platine et y reste. Expliquer pourquoi cela ruine le pot, bien que le platine ne soit pas consommé par la réaction normale.

Solution

Solution de Exercice 42.8.

La réaction a lieu à la surface du platine ; le plomb la recouvre et y reste, si bien que les gaz ne peuvent plus atteindre le métal. Le catalyseur est « empoisonné » : présent, mais inutile.

Exercice 42.9 ★★

Un élève mesure la mousse produite par des tranches de pomme de terre dans de l’eau oxygénée à 10, 25, 37, 60 et $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : la mousse augmente jusque vers $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , puis diminue, et disparaît presque à $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Expliquer les deux parties de la courbe.

Solution

Solution de Exercice 42.9.

Jusque vers $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , la réaction s’accélère avec la température, comme toute réaction. Au-delà, l’enzyme, une protéine, perd sa forme et avec elle son activité ; à $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , elle est détruite.

Exercice 42.10 ★★

Écrire l’équation de la réaction entre le monoxyde de carbone et le monoxyde d’azote dans un pot catalytique, et vérifier qu’elle est ajustée. Pourquoi les deux polluants sont-ils éliminés en même temps ?

Solution

Solution de Exercice 42.10.

$\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2}$ : C 2 = 2, O 4 = 4, N 2 = 2. Le monoxyde de carbone est oxydé par le monoxyde d’azote, qui est réduit : chaque polluant élimine l’autre.

Exercice 42.11 ★★

$10.0\,\mathrm{mL}$ d’eau oxygénée dégagent $72\,\mathrm{mL}$ de dioxygène à $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ quand ils se décomposent entièrement. Calculer la quantité de dioxygène ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ ), puis la concentration de la solution en peroxyde d’hydrogène.

Solution

Solution de Exercice 42.11.

$n(\ce{O2}) = 0.072 / 24.1 = 2.99 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ ; $n(\ce{H2O2}) = 2 \times 2.99 \times 10^{-3} = 5.98 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ dans $10.0\,\mathrm{mL}$ : $c = 0.598\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

Exercice 42.12 ★★★

De la vapeur d’éthanol passée sur de l’alumine donne de l’éthène ; passée sur du cuivre, elle donne de l’éthanal. Écrire les deux équations, donner la catégorie de la première, et expliquer ce qu’est un catalyseur sélectif.

Solution

Solution de Exercice 42.12.

$\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$ , une élimination ; $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$ . Un catalyseur sélectif accélère l’une de plusieurs réactions possibles beaucoup plus que les autres, et décide ainsi du produit.

Exercice 42.13 ★★★

Un catalyseur rend une réaction dix fois plus rapide. Un élève affirme qu’il donne aussi dix fois plus de produit. Corriger cette affirmation à l’aide des courbes du dioxygène dégagé.

Solution

Solution de Exercice 42.13.

Le catalyseur ne change pas l’état final : les courbes avec et sans catalyseur aboutissent au même volume de dioxygène. On obtient la même quantité de produit, seulement plus tôt.

Exercice 42.14 ★★★

Une molécule de catalase décompose quelques millions de molécules de peroxyde d’hydrogène par seconde. En prenant $5 \times 10^{6}$ par seconde, combien de temps faut-il à une molécule d’enzyme pour décomposer une mole de peroxyde d’hydrogène ? Combien de molécules d’enzyme le feraient en une seconde ? (Calcul d’ordres de grandeur ; la vitesse est une donnée de l’exercice.)

Solution

Solution de Exercice 42.14.

$6.02 \times 10^{23} / 5 \times 10^{6} = 1.2 \times 10^{17}\,\mathrm{s}$ , quelque quatre milliards d’années. Pour le faire en une seconde : $1.2 \times 10^{17}$ molécules d’enzyme, soit $2 \times 10^{-7}\,\mathrm{mol}$ .

Exercice 42.15 ★★★

Le monde a produit environ 150 millions de tonnes d’azote sous forme d’ammoniac en 2024. Quelle masse d’ammoniac cela représente-t-il ? Quelle quantité de diazote a été combinée ?

Solution

Solution de Exercice 42.15.

Ammoniac $\ce{NH3}$ : $150 \times 17.0 / 14.0 = 182\,\mathrm{Mt}$ . Atomes d’azote : $1.50 \times 10^{14} / 14.0 = 1.07 \times 10^{13}\,\mathrm{mol}$ , soit $5.36 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ de $\ce{N2}$ .

42.7 Problème : l’eau oxygénée du coiffeur

Problème 42.1

Problème du week-end — quelle est la concentration d’une eau oxygénée « à 20 volumes » ?

Les coiffeurs utilisent des solutions de peroxyde d’hydrogène dont le titre est donné en « volumes » : une eau oxygénée « à 20 volumes » est une solution dont $1\,\mathrm{L}$ dégage $20\,\mathrm{L}$ de dioxygène quand elle se décompose entièrement, le gaz étant mesuré à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et à la pression atmosphérique normale, conditions dans lesquelles une mole de gaz occupe $22.4\,\mathrm{L}$ .

Partie I — La décomposition.

Écrire l’équation de la décomposition du peroxyde d’hydrogène.
La décomposition est-elle une réaction d’oxydoréduction ? Trouver l’oxydant et le réducteur (le peroxyde d’hydrogène est les deux à la fois).
Pourquoi un flacon se conserve-t-il des mois, alors que la réaction est possible ?

Partie II — Ce que signifie « 20 volumes ».

Quelle quantité de dioxygène $1\,\mathrm{L}$ de solution dégage-t-il ?
En déduire la quantité de peroxyde d’hydrogène dans $1\,\mathrm{L}$ .
Donner la concentration molaire.
Calculer la masse molaire du peroxyde d’hydrogène et la concentration massique.
Que signifierait « 10 volumes » en moles par litre ?

Partie III — Deux catalyseurs.

On ajoute à un échantillon une goutte de sang (catalase), et à un autre quelques gouttes de chlorure de fer(III). De quelle catalyse s’agit-il dans chaque cas ?
Écrire les deux étapes de la catalyse par les ions fer(III) et vérifier que leur somme est la décomposition.
À l’aide des courbes du dioxygène dégagé, décrire comment le volume de dioxygène évolue avec et sans catalyseur, et ce qui reste identique.
Pourquoi la couleur d’un échantillon catalysé par les ions fer(III) change-t-elle pendant la réaction et revient-elle à la fin ?
Pourquoi une pomme de terre cuite ne fait-elle pas mousser la solution ?

Partie IV — Le flacon.

Quel volume de dioxygène, mesuré à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , un flacon de $100\,\mathrm{mL}$ peut-il dégager ?
Quel volume cela représente-t-il à $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ ) ?
Pourquoi le bouchon d’un tel flacon doit-il laisser le gaz s’échapper lentement ?
Un flacon conservé longtemps est titré : on trouve $1.50\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . À combien de « volumes » cela correspond-il maintenant ?
Quelle fraction du peroxyde d’hydrogène s’est décomposée ?
Donner la réponse finale : quelle est la concentration molaire d’une eau oxygénée « à 20 volumes » ?

Solution

Solution de Problème 42.1.

1. $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

2. Oui : le peroxyde d’hydrogène est l’oxydant du couple $\ce{H2O2}$ / $\ce{H2O}$ et le réducteur du couple $\ce{O2}$ / $\ce{H2O2}$ ; il s’oxyde et se réduit lui-même.

3. Sans catalyseur, la réaction est extrêmement lente.

4. $20 / 22.4 = 0.893\,\mathrm{mol}$ .

5. Deux moles de peroxyde d’hydrogène par mole de dioxygène : $1.79\,\mathrm{mol}$ .

6. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

7. $M = 2 \times 1.0 + 2 \times 16.0 = 34.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $C_m = 1.79 \times 34.0 = 60.7\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ .

8. La moitié : $0.893\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

9. La catalase : une enzyme, dissoute, un catalyseur biologique ; les ions fer(III) : catalyse homogène.

10. $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$ et $\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}$ ; leur somme est $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$ .

11. Avec un catalyseur, le volume augmente beaucoup plus vite ; les deux courbes tendent vers le même volume final.

12. Les ions fer(III) (orange) sont transformés en ions fer(II) (vert pâle) lors de la première étape, puis redeviennent fer(III) lors de la seconde ; à la fin, tout le fer est de nouveau à l’état de fer(III).

13. La cuisson a détruit l’enzyme.

14. $0.100 \times 20 = 2.0\,\mathrm{L}$ .

15. $n(\ce{O2}) = 0.100 \times 0.893 = 0.0893\,\mathrm{mol}$ , soit $0.0893 \times 24.1 = 2.15\,\mathrm{L}$ .

16. La lente décomposition libère du dioxygène, qui ferait monter la pression dans un flacon étanche.

17. $1.50 / 2 = 0.750\,\mathrm{mol}$ de dioxygène par litre, soit $0.750 \times 22.4 = 16.8\,\mathrm{L}$ : « 16.8 volumes ».

18. $(1.79 - 1.50)/1.79 \approx 16\,\%$ .

19. $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

Termes définis dans ce chapitre

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