Différents types de catalyseurs

Contenu

• Caractéristiques générales des catalyseurs
• Chimie des catalyseurs
• Catalyse homogène
• Catalyse hétérogène
• Les enzymes

En chimie, un catalyseur est une substance qui accélère la vitesse d'une réaction sans se consommer elle-même. Toute réaction utilisant un catalyseur est appelée catalyse. Faites attention à cette distinction lorsque vous lisez un matériau de chimie; un catalyseur (pluriel "catalyseurs") est une substance physique, mais la catalyse (pluriel "catalyseur") est un processus.

Un aperçu de chacune des classes de catalyseurs constitue un point de départ utile pour l’apprentissage de la chimie analytique et la compréhension de 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 de catalyseurs moins courants mais néanmoins importants incluent la photocatalyse, la catalyse environnementale et les processus catalytiques écologiques.

Caractéristiques générales des catalyseurs

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) liés à des éléments tels que l'oxygène et le soufre. Les catalyseurs en phase liquide ou gazeuse sont plus susceptibles de consister en un seul élément, bien qu'ils puissent être combinés avec des solvants et d'autres matériaux, et les catalyseurs solides peuvent être disséminés au sein d'une matrice solide ou liquide appelée support de catalyseur.

Les catalyseurs accélèrent les réactions en diminuant la énergie d'activation E_une d'une réaction qui se produirait sans le catalyseur, mais beaucoup plus lentement. De telles réactions ont un produit ou des produits avec une énergie totale inférieure à celle du réactif ou des réactifs; Si ce n’était pas le cas, ces réactions ne se produiraient pas sans un 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 la_une. Les catalyseurs lissent essentiellement les obstacles le long de la route de la réaction en facilitant l’accès des réactifs à l’énergie "en aval" de la réaction en abaissant simplement l’élévation du "sommet de la colline".

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

Chimie des catalyseurs

Les catalyseurs effectuent leur travail en se liant temporairement à l'un des réactifs ou en modifiant de manière chimique celle-ci et en modifiant sa conformation physique, ou forme tridimensionnelle, de manière à faciliter la transformation du ou des réactifs en un des produits. Imaginez un chien qui a roulé dans la boue et qui doit être nettoyé avant de pouvoir entrer. La boue se détacherait d'elle-même par la suite, mais si vous pouviez faire quelque chose qui poussait le chien dans la direction de l'arroseur de jardin afin que la boue soit pulvérisée rapidement de sa fourrure, vous auriez en fait servi de "catalyseur". "de la sale-chien à nettoyer-chien" réaction. "

Le plus souvent, un produit intermédiaire n'apparaissant 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 si rien ne s'était jamais passé. du tout. Comme vous le verrez bientôt, ce processus peut se dérouler de différentes manières.

Catalyse homogène

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

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

S₂O₈^2- + 2 I^- → 2 SO₄^2- + Je₂

Cette réaction aurait du mal à se dérouler toute seule malgré l’énergétique favorable, car les deux réactifs sont chargés négativement et donc leurs qualités électrostatiques sont en opposition avec leurs qualités chimiques. 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 jusqu'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).

Catalyse hétérogène

Une réaction est considérée catalysée 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 non carbonés, tels que les métaux élémentaires, les sulfures et les sels métalliques, ainsi qu'un petit nombre de substances organiques, parmi lesquelles des hydroperoxydes et des échangeurs d'ions.

Les zéolithes constituent une classe importante de catalyseurs hétérogènes. Ce sont des solides cristallins constitués d'unités répétitives de SiO₄. Des unités de quatre de ces molécules jointes sont liées ensemble 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

Les enzymes sont des protéines qui jouent un rôle de catalyseur 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 deviennent attachées. Les composants de toutes les protéines sont des acides aminés, et chacun de ces acides 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 correspond à la bonne partie du substrat (réactif), à la manière d'une clé entrant dans une serrure. Notez que les catalyseurs décrits précédemment catalysent souvent un ensemble de réactions différentes et ne possèdent donc pas le degré de spécificité chimique que possèdent les enzymes.

En général, quand plus de substrat et plus d'une enzyme sont présents, la réaction se déroulera plus rapidement. Mais si de plus en plus de substrat est ajouté sans ajouter plus d'enzyme, tous les sites de liaison enzymatiques deviennent saturés et la réaction a atteint sa vitesse maximale pour cette concentration d'enzyme. 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, au lieu d'écrire:

S → P

pour montrer qu'un substrat est transformé en un produit, vous pouvez le représenter comme suit:

E + S → ES → E + P

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

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

Les enzymes fonctionnent de manière optimale dans une plage de température étroite, ce qui est logique étant donné que la température de votre corps ne fluctue pas de plus de quelques degrés dans des conditions normales. 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.