Différents types de catalyseurs

En chimie, un catalyseur est une substance qui accélère la vitesse d'une réaction sans être elle-même consommée dans la réaction. Toute réaction utilisant un catalyseur est appelée catalyse. Faites attention à cette distinction lors de la lecture de matériel de chimie; un catalyseur (au pluriel "catalyseurs") est une substance physique, mais la catalyse (au pluriel "catalyse") est un processus.

Un aperçu de chacune des classes de catalyseurs est un point de départ utile pour apprendre la chimie analytique et comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire lorsque vous mélangez des substances et qu'une réaction se produit. Les catalyseurs et leurs réactions catalytiques associées sont de trois types principaux: les catalyseurs homogènes, les catalyseurs hétérogènes et les biocatalyseurs (généralement appelés enzymes). Les types d'activités catalytiques moins courants mais toujours importants comprennent la photocatalyse, la catalyse environnementale et les procédés catalytiques verts.

La majorité des catalyseurs solides sont des métaux (par exemple, le platine ou le nickel) ou des métaux proches (par exemple, le silicium, le bore et l'aluminium) attachés à des éléments tels que l'oxygène et le soufre. Les catalyseurs qui sont en phase liquide ou gazeuse sont plus susceptibles d'être constitués d'un seul élément, bien qu'ils puissent être combinés avec les solvants et autres matériaux, et les catalyseurs solides peuvent être disséminés dans une matrice solide ou liquide connue sous le nom de support de catalyseur.

Les catalyseurs accélèrent les réactions en abaissant la énergie d'activation E_une d'une réaction qui se déroulerait sans le catalyseur, mais beaucoup plus lentement. De telles réactions ont un produit ou des produits avec une énergie totale inférieure à celle du ou des réactifs; si ce n'était pas le cas, ces réactions ne se produiraient pas sans l'apport d'énergie externe. Mais pour passer de l'état d'énergie supérieure à l'état d'énergie inférieure, les produits doivent d'abord « surmonter la bosse », cette « bosse » étant le E_une. Les catalyseurs atténuent essentiellement les bosses le long de la route de l'énergie de réaction en facilitant la réactifs pour atteindre la "pente descendante" d'énergie de la réaction en abaissant simplement l'élévation de la "haut de colline".

Les systèmes chimiques présentent des exemples de catalyseurs positifs et négatifs, les premiers ayant tendance à accélérer la vitesse de la réaction et les catalyseurs négatifs servant à les ralentir. Les deux peuvent être avantageux, selon le résultat spécifique souhaité.

Les catalyseurs effectuent leur travail en se liant temporairement à ou en modifiant chimiquement l'un des réactifs et en changeant ses propriétés physiques. conformation, ou forme tridimensionnelle, d'une manière qui facilite la transformation du ou des réactifs en l'un des des produits. Imaginez avoir un chien qui s'est roulé dans la boue et qui doit être propre avant de pouvoir entrer à l'intérieur. La boue finirait par se détacher du chien d'elle-même, mais si vous pouviez faire quelque chose qui pousserait le chien dans la direction de l'arroseur de la cour pour que la boue soit projetée sur sa fourrure rapidement, vous auriez servi en fait de "catalyseur" de la "réaction" de chien sale à chien propre.

Le plus souvent, un produit intermédiaire qui ne figure dans aucun résumé ordinaire de la réaction est formé à partir d'un réactif et du catalyseur, et lorsque ce complexe est transformé en un ou plusieurs produits finaux, le catalyseur est régénéré comme s'il ne lui était jamais rien arrivé à tout. Comme vous le verrez sous peu, ce processus peut se dérouler de diverses manières.

Une réaction est considérée catalysé de manière homogène lorsque le catalyseur et le ou les réactifs sont dans le même état ou phase physique. Cela se produit le plus souvent avec des couples catalyseur-réactif gazeux. Les types de catalyseurs homogènes comprennent les acides organiques dans lesquels l'atome d'hydrogène donné est remplacé par un métal, un nombre de composés mélangeant des éléments carbonés et métalliques sous une certaine forme, et des composés carbonylés liés au cobalt ou le fer.

Un exemple de ce type de catalyse impliquant des liquides est la conversion des ions persulfate et iodure en ions sulfate et iode :

S₂O₈^2- + 2 je^- → 2 SO₄^2- + je₂

Cette réaction aurait du mal à se dérouler d'elle-même malgré l'énergétique favorable, car les deux les réactifs sont chargés négativement et donc leurs qualités électrostatiques sont en opposition avec leur qualités. Mais si des ions de fer, qui portent une charge positive, sont ajoutés au mélange, le fer "distrait" les charges négatives et la réaction avance rapidement.

Une catalyse homogène gazeuse naturelle est la conversion de l'oxygène gazeux, ou O₂, dans l'atmosphère à l'ozone, ou O₃, où les radicaux oxygène (O^-) sont des intermédiaires. Ici, la lumière ultraviolette du soleil est le véritable catalyseur, mais chaque composé physique présent est dans le même état (gazeux).

Une réaction est considérée catalysé de manière hétérogène lorsque le catalyseur et le ou les réactifs sont dans des phases différentes, la réaction se produisant à l'interface entre eux (le plus souvent, la "frontière" gaz-solide). Certains des catalyseurs hétérogènes les plus courants comprennent les solides inorganiques - c'est-à-dire ne contenant pas de carbone - tels que les éléments métaux, sulfures et sels métalliques, ainsi qu'une poignée de substances organiques, parmi lesquelles des hydroperoxydes et des ions échangeurs.

Les zéolites sont une classe importante de catalyseurs hétérogènes. Ce sont des solides cristallins constitués d'unités répétitives de SiO₄. Les unités de quatre de ces molécules jointes sont liées entre elles pour former différentes structures en anneau et en cage. La présence d'un atome d'aluminium dans le cristal crée un déséquilibre de charge, qui est compensé par un proton (c'est-à-dire un ion hydrogène).

Les enzymes sont des protéines qui fonctionnent comme des catalyseurs dans les systèmes vivants. Ces enzymes ont des composants appelés sites de liaison au substrat, ou sites actifs, où les molécules impliquées dans la réaction sous catalyse se fixent. Les composants de toutes les protéines sont des acides aminés, et chacun de ces acides individuels a une distribution de charge inégale d'un bout à l'autre. Cette propriété est la principale raison pour laquelle les enzymes possèdent des capacités catalytiques.

Le site actif de l'enzyme s'emboîte avec la bonne partie du substrat (réactif) un peu comme une clé entrant dans une serrure. Notez que les catalyseurs décrits plus haut catalysent souvent un éventail de réactions différentes et ne possèdent donc pas le degré de spécificité chimique que possèdent les enzymes.

En général, lorsque plus de substrat et plus d'enzyme sont présents, la réaction se déroulera plus rapidement. Mais si de plus en plus de substrat est ajouté sans ajouter plus d'enzyme également, tous les composants enzymatiques les sites de liaison deviennent saturés et la réaction a atteint sa vitesse maximale pour cette enzyme concentration. Chaque réaction catalysée par une enzyme peut être représentée en termes de produits intermédiaires formés du fait de la présence de l'enzyme. C'est-à-dire qu'au lieu d'écrire :

S → P

pour montrer un substrat en cours de transformation en un produit, vous pouvez le décrire comme :

E + S → ES → E + P

dans lequel le moyen terme est le complexe enzyme-substrat (ES).

Les enzymes, bien que classées dans une catégorie de catalyseur distincte de celles énumérées ci-dessus, peuvent être soit homogènes, soit hétérogènes.

Les enzymes fonctionnent de manière optimale dans une plage de température étroite, ce qui est logique étant donné que la température corporelle ne fluctue pas de plus de quelques degrés dans des conditions ordinaires. La chaleur extrême détruit de nombreuses enzymes et leur fait perdre leur forme tridimensionnelle spécifique, un processus appelé dénaturation qui s'applique à toutes les protéines.