--- title: "La catalyse" book: "La chimie à l’école — Années 1 à 12" subject: chemistry language: fr chapter: 42 exercises: 15 source: https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/42-la-catalyse license: CC-BY-NC-SA-4.0 credit: "One Chemistry Book, One Course (one-course.com)" --- # Chapitre 42 — La 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](#def-g12-catalysis-catalyst). Les [catalyseurs](#def-g12-catalysis-catalyst) 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/41-la-vitesse-des-reactions#def-g12-reaction-rates-kinetic-factor) qui la modifient ([Chapitre 41](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/41-la-vitesse-des-reactions#ch-g12-reaction-rates)). Un mécanisme est une suite d’[actes élémentaires](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/40-mecanismes-reactionnels-les-fleches-courbes#def-g12-curly-arrows-mechanism), qui passe par des intermédiaires ([Chapitre 40](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/40-mecanismes-reactionnels-les-fleches-courbes#ch-g12-curly-arrows)). ## 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](#def-g12-catalysis-catalyst) 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/27-le-tableau-davancement#def-g10-reaction-progress-table-system) 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/27-le-tableau-davancement#def-g10-reaction-progress-table-system) soit inchangé découle du fait que le [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) est restitué : la réaction globale, [réactifs](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/12-les-reactions-chimiques-reactifs-et-produits#def-g7-chemical-reactions-reactant) 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.)](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g12-catalysis/fig-1049f560594b.svg) ![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.)](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g12-catalysis/fig-e6875a84b62f.svg) *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](#def-g12-catalysis-catalyst) 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](#def-g12-catalysis-catalyst) est une *catalyse homogène* quand le [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) est dans la même phase que les [réactifs](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/12-les-reactions-chimiques-reactifs-et-produits#def-g7-chemical-reactions-reactant) (par exemple dissous avec eux), une *catalyse hétérogène* quand il est dans une autre phase, le plus souvent un solide dont les [réactifs](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/12-les-reactions-chimiques-reactifs-et-produits#def-g7-chemical-reactions-reactant) 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) iodure, consommé lors de la première étape et restitué lors de la seconde, est le [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) ; l’[ion](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) $\ce{IO-}$ est un intermédiaire. **Exemple 42.5 (Les ions fer(III)).** Les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) fer(III) catalysent eux aussi la décomposition, par l’intermédiaire du couple $\ce{Fe^{3+}}$/$\ce{Fe^{2+}}$ ([Chapitre 35](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/35-oxydation-et-reduction#ch-g11-redox)) : ils oxydent d’abord le peroxyde d’hydrogène, $\ce{2Fe^{3+} + H2O2 -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+}$, puis les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) 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](#def-g12-catalysis-catalyst) participe à la réaction et qu’il est régénéré. ## 42.3 La catalyse hétérogène De nombreux [catalyseurs](#def-g12-catalysis-catalyst) 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-molecule) de [réactif](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/12-les-reactions-chimiques-reactifs-et-produits#def-g7-chemical-reactions-reactant) 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-molecule). On fabrique donc un [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) 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.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g12-catalysis/fig-e3f90909b4d1.svg) *[Addition](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/40-mecanismes-reactionnels-les-fleches-courbes#def-g12-curly-arrows-categories) du dihydrogène sur l’éthène à la surface d’un [métal](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/20-le-tableau-periodique-un-premier-regard#def-g9-periodic-table-first-look-metal) : adsorption, réaction, désorption. Le [métal](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/20-le-tableau-periodique-un-premier-regard#def-g9-periodic-table-first-look-metal) 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/20-le-tableau-periodique-un-premier-regard#def-g9-periodic-table-first-look-metal) : $$ \ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2} , $$ 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](#def-g12-catalysis-catalyst). ![Un pot catalytique, coupé dans sa longueur : des milliers de fins canaux offrent aux gaz d’échappement une immense surface recouverte de métal.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g12-catalysis/fig-a70ae7ed181e.svg) *Un pot catalytique, coupé dans sa longueur : des milliers de fins canaux offrent aux gaz d’échappement une immense surface recouverte de [métal](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/20-le-tableau-periodique-un-premier-regard#def-g9-periodic-table-first-look-metal).* ![Un pot catalytique ouvert : le cœur en nid d’abeilles.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g12-catalysis/img-d06067588054.jpg) *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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/4-lair-un-melange-de-gaz#def-g4-air-a-mixture-of-gases-air) avec l’hydrogène, $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$, sur un [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) 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](#def-g12-catalysis-catalyst). ## 42.4 Les enzymes **Définition 42.7 (Enzyme).** Une *enzyme* est une protéine fabriquée par un être vivant, qui [catalyse](#def-g12-catalysis-catalyst) une réaction de sa chimie. Les enzymes sont très efficaces et très spécifiques : chacune ne convient qu’à quelques [molécules](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-molecule), 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](#def-g12-catalysis-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](#def-g12-catalysis-enzyme). ![De l’eau oxygénée sur une tranche de pomme de terre crue : la catalase à l’œuvre.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g12-catalysis/img-b187605b8d45.jpg) *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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/12-les-reactions-chimiques-reactifs-et-produits#def-g7-chemical-reactions-reactant) 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/40-mecanismes-reactionnels-les-fleches-courbes#def-g12-curly-arrows-categories)) ; passée sur du cuivre chaud, elle perd du dihydrogène et donne de l’éthanal, $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$. Même [réactif](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/12-les-reactions-chimiques-reactifs-et-produits#def-g7-chemical-reactions-reactant), deux [catalyseurs](#def-g12-catalysis-catalyst), 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/15-les-matieres-plastiques-et-les-materiaux-synthetiques#def-g8-plastics-plastic) et aux engrais, sont fabriqués à l’aide de [catalyseurs](#def-g12-catalysis-catalyst) ; trouver un [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) plus actif ou plus sélectif économise de l’énergie et réduit les déchets. Chaque réaction d’une cellule vivante est catalysée par une [enzyme](#def-g12-catalysis-enzyme). **Sécurité.** ![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g12-catalysis/fig-105f4dfb6e4f.svg) ![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g12-catalysis/fig-93c17238ab7b.svg) ![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-1/g12-catalysis/fig-0df833fa40ae.svg) Le peroxyde d’hydrogène concentré est un [oxydant](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/35-oxydation-et-reduction#def-g11-redox-oxidant) 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) iodure, quelles espèces sont des [réactifs](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/12-les-reactions-chimiques-reactifs-et-produits#def-g7-chemical-reactions-reactant), lesquelles sont des produits, laquelle est le [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst), laquelle est un intermédiaire ? **Solution de Exercice 42.1.** [Réactif](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/12-les-reactions-chimiques-reactifs-et-produits#def-g7-chemical-reactions-reactant) : $\ce{H2O2}$. Produits : $\ce{H2O}$ et $\ce{O2}$. [Catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) : $\ce{I-}$ (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](#def-g12-catalysis-homogeneous) ou hétérogène : des [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) iodure dans de l’eau oxygénée ; le platine d’un pot catalytique ; le fer de la [synthèse](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/28-la-synthese-rendement-et-purete#def-g10-synthesis-yield-synthesis) de l’ammoniac ; des [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) fer(III) dans de l’eau oxygénée ? **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 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](#def-g12-catalysis-catalyst) n’apparaît-il pas dans l’équation globale d’une réaction ? **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](#def-g12-catalysis-catalyst) solides de l’industrie sont-ils utilisés sous forme de poudres fines ou de fines couches sur des supports poreux ? **Solution de Exercice 42.5.** La réaction a lieu à la surface : plus la surface est grande, plus il y a de [molécules](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-molecule) qui peuvent réagir à la fois, pour une même masse de [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) (souvent coûteux). **Exercice 42.6 ★★.** Additionner les deux étapes de la décomposition du peroxyde d’hydrogène catalysée par les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) fer(III), et montrer que les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) fer et les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) hydrogène s’éliminent. **Solution de Exercice 42.6.** Somme : $\ce{2Fe^{3+} + 2H2O2 + 2Fe^{2+} + 2H+ -> 2Fe^{2+} + O2 + 2H+ + 2Fe^{3+} + 2H2O}$. Les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) fer et les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) 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](#def-g12-catalysis-catalyst) raccourcit-il cette durée ? **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](#def-g12-catalysis-catalyst) et de $3.5\,\mathrm{min}$ avec. Le [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) 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 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/20-le-tableau-periodique-un-premier-regard#def-g9-periodic-table-first-look-metal). Le [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) 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 de Exercice 42.9.** Jusque vers $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, la réaction s’accélère avec la température, comme toute réaction. Au-delà, l’[enzyme](#def-g12-catalysis-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 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 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](#def-g12-catalysis-selective). **Solution de Exercice 42.12.** $\ce{C2H5OH -> C2H4 + H2O}$, une [élimination](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/40-mecanismes-reactionnels-les-fleches-courbes#def-g12-curly-arrows-categories) ; $\ce{C2H5OH -> CH3CHO + H2}$. Un [catalyseur sélectif](#def-g12-catalysis-selective) accélère l’une de plusieurs réactions possibles beaucoup plus que les autres, et décide ainsi du produit. **Exercice 42.13 ★★★.** Un [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) 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 de Exercice 42.13.** Le [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) ne change pas l’[état final](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/27-le-tableau-davancement#def-g10-reaction-progress-table-system) : les courbes avec et sans [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) aboutissent au même volume de dioxygène. On obtient la même quantité de produit, seulement plus tôt. **Exercice 42.14 ★★★.** Une [molécule](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-molecule) de catalase décompose quelques millions de [molécules](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-molecule) de peroxyde d’hydrogène par seconde. En prenant $5 \times 10^{6}$ par seconde, combien de temps faut-il à une [molécule](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-molecule) d’[enzyme](#def-g12-catalysis-enzyme) pour décomposer une [mole](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/25-la-mole-et-la-masse-molaire#def-g10-the-mole-amount) de peroxyde d’hydrogène ? Combien de [molécules](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-molecule) d’[enzyme](#def-g12-catalysis-enzyme) le feraient en une seconde ? (Calcul d’ordres de grandeur ; la vitesse est une donnée de l’exercice.) **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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-molecule) d’[enzyme](#def-g12-catalysis-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 de Exercice 42.15.** Ammoniac $\ce{NH3}$ : $150 \times 17.0 / 14.0 = 182\,\mathrm{Mt}$. [Atomes](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/11-atomes-et-molecules#def-g7-atoms-and-molecules-atom) 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](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/25-la-mole-et-la-masse-molaire#def-g10-the-mole-amount) de gaz occupe $22.4\,\mathrm{L}$. **Partie I — La décomposition.** 1. Écrire l’équation de la décomposition du peroxyde d’hydrogène. 2. La décomposition est-elle une [réaction d’oxydoréduction](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/35-oxydation-et-reduction#def-g11-redox-reaction) ? Trouver l’ [oxydant](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/35-oxydation-et-reduction#def-g11-redox-oxidant) et le [réducteur](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/35-oxydation-et-reduction#def-g11-redox-oxidant) (le peroxyde d’hydrogène est les deux à la fois). 3. Pourquoi un flacon se conserve-t-il des mois, alors que la réaction est possible ? **Partie II — Ce que signifie « 20 volumes ».** 4. Quelle quantité de dioxygène $1\,\mathrm{L}$ de solution dégage-t-il ? 5. En déduire la quantité de peroxyde d’hydrogène dans $1\,\mathrm{L}$ . 6. Donner la [concentration molaire](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/26-concentration-et-dilution#def-g10-concentration-and-dilution-molar-concentration) . 7. Calculer la [masse molaire](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/25-la-mole-et-la-masse-molaire#def-g10-the-mole-molar-mass) du peroxyde d’hydrogène et la [concentration massique](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/26-concentration-et-dilution#def-g10-concentration-and-dilution-mass-concentration) . 8. Que signifierait « 10 volumes » en [moles](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/25-la-mole-et-la-masse-molaire#def-g10-the-mole-amount) par litre ? **Partie III — Deux [catalyseurs](#def-g12-catalysis-catalyst).** 9. On ajoute à un échantillon une goutte de sang (catalase), et à un autre quelques gouttes de chlorure de fer(III). De quelle [catalyse](#def-g12-catalysis-catalyst) s’agit-il dans chaque cas ? 10. Écrire les deux étapes de la [catalyse](#def-g12-catalysis-catalyst) par les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) fer(III) et vérifier que leur somme est la décomposition. 11. À l’aide des courbes du dioxygène dégagé, décrire comment le volume de dioxygène évolue avec et sans [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) , et ce qui reste identique. 12. Pourquoi la couleur d’un échantillon catalysé par les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) fer(III) change-t-elle pendant la réaction et revient-elle à la fin ? 13. Pourquoi une pomme de terre cuite ne fait-elle pas mousser la solution ? **Partie IV — Le flacon.** 14. Quel volume de dioxygène, mesuré à $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , un flacon de $100\,\mathrm{mL}$ peut-il dégager ? 15. Quel volume cela représente-t-il à $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ ) ? 16. Pourquoi le bouchon d’un tel flacon doit-il laisser le gaz s’échapper lentement ? 17. Un flacon conservé longtemps est titré : on trouve $1.50\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . À combien de « volumes » cela correspond-il maintenant ? 18. Quelle fraction du peroxyde d’hydrogène s’est décomposée ? 19. Donner la réponse finale : quelle est la [concentration molaire](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/26-concentration-et-dilution#def-g10-concentration-and-dilution-molar-concentration) d’une eau oxygénée « à 20 volumes » ? **Solution de Problème 42.1.** **1.** $\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2}$. **2.** Oui : le peroxyde d’hydrogène est l’[oxydant](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/35-oxydation-et-reduction#def-g11-redox-oxidant) du couple $\ce{H2O2}$/$\ce{H2O}$ et le [réducteur](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/35-oxydation-et-reduction#def-g11-redox-oxidant) du couple $\ce{O2}$/$\ce{H2O2}$ ; il s’oxyde et se réduit lui-même. **3.** Sans [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst), la réaction est extrêmement lente. **4.** $20 / 22.4 = 0.893\,\mathrm{mol}$. **5.** Deux [moles](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/25-la-mole-et-la-masse-molaire#def-g10-the-mole-amount) de peroxyde d’hydrogène par [mole](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/25-la-mole-et-la-masse-molaire#def-g10-the-mole-amount) 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](#def-g12-catalysis-enzyme), dissoute, un [catalyseur](#def-g12-catalysis-catalyst) biologique ; les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) fer(III) : [catalyse homogène](#def-g12-catalysis-homogeneous). **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](#def-g12-catalysis-catalyst), le volume augmente beaucoup plus vite ; les deux courbes tendent vers le même volume final. **12.** Les [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) fer(III) (orange) sont transformés en [ions](https://one-course.com/books/chemistry/1/fr/chapter/17-les-ions-et-les-solutions-ioniques#def-g9-ions-ion) 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](#def-g12-catalysis-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.** $1.79\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$.