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Chimie

Cours : Chimie > Chapitre 14 

Leçon 2: Loi d'Arrhenius et mécanismes réactionnels
Sciences
Chimie
Cinétique chimique
Loi d'Arrhenius et mécanismes réactionnels
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Les différents types de catalyseurs

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Qu'est-ce qu'un catalyseur ? Exemples de catalyseurs dont les enzymes, les catalyseurs acido-basiques et les catalyseurs hétérogènes

Points clés

  • Un catalyseur est une substance pouvant être ajoutée à une réaction pour augmenter sa vitesse, et ce, sans être consommée.
  • Les catalyseurs accélèrent généralement la réaction en diminuant l'énergie d'activation ou en modifiant le mécanisme réactionnel.
  • Les enzymes sont des protéines agissant comme des catalyseurs dans les réactions biochimiques.
  • Les types courants de catalyseurs incluent les enzymes, les catalyseurs acido-basiques et les catalyseurs hétérogènes (ou de surface).

Introduction : Une expérience de pensée cinétique

Le cerveau est alimenté par l'oxydation du glucose. Cette oxydation peut être représentée par l'équation chimique équilibrée suivante :
C6H12O6(s)+6O2(g)→6CO2(g)+6H2O(l)+chaleurΔG∘à 25∘C=−2885kJmol
Sans cette réaction, apprendre la chimie serait beaucoup plus difficile. Heureusement, la réaction d'oxydation est favorisée thermodynamiquement à 25∘C car ΔG∘<0.
une tranche de raisin noir, d'environ 5 mm d'épaisseur et vue contre une fenêtre
Savez-vous que le glucose a d'abord été isolé à partir de raisins ? Image de Wikimedia Commons, domaine public
Pourquoi ne pas essayer ? Trouvez quelque chose à manger, qui serait bon et sucré comme un raisin. Ajoutez-y de l'oxygène (c'est-à-dire, laissez-le à l'air libre). Que se passe-t-il ?
Remarquez-vous une libération d'énergie thermique ? La formation d'eau et de dioxyde de carbone ?
En fait, le raisin ne fait rien de plus que de sécher un petit peu. Même si l'oxydation du glucose est une réaction thermodynamiquement favorable, il s'avère que la vitesse de cette réaction est vraiment très très très faible !
La vitesse d'une réaction dépend de différents facteurs comme :
  • L'énergie d'activation
  • La température : si vous chauffez le raisin jusqu'à une température suffisamment élevée, il brûlera probablement et s'oxydera.
Ces deux facteurs sont étroitement liés : augmenter la température de réaction augmente l'énergie cinétique des molécules des réactifs. En raison de cela, la probabilité que ces molécules aient suffisamment d'énergie pour dépasser la barrière d'activation est en hausse.
Comment votre corps résout-il ce problème dans le cadre de l'oxydation du glucose ? Après tout, la température corporelle ne dépasse pas beaucoup les 25∘C, alors comment cette réaction se produit-elle en continu dans votre corps ?
Les systèmes biologiques utilisent des catalyseurs pour augmenter la vitesse de l'oxydation de façon à ce qu'elle soit plus rapide quand la température diminue. Dans cet article, on parlera plus en détail de ce qu'est un catalyseur et des différents types de catalyseurs qui existent.

Qu'est-ce qu'un catalyseur ?

Les catalyseurs sont des substances pouvant être ajoutées à une réaction pour en augmenter sa vitesse, sans être consommés. Ils fonctionnent habituellement en :
  1. Diminuant l'énergie de l'état de transition, ce qui réduit l'énergie d'activation et/ou
  2. Modifiant le mécanisme réactionnel. Cela change aussi la nature (et l'énergie) de l'état de transition.
Les catalyseurs sont partout ! De nombreux processus biochimiques, comme l'oxydation du glucose, dépendent fortement des enzymes, qui sont des protéines se comportant comme des catalyseurs.
D'autres types de catalyseurs répandus sont les catalyseurs acido-basiques et les catalyseurs hétérogènes (ou de surface).

Exemple : L'anhydrase carbonique

L'anhydrase carbonique est une enzyme catalysant la réaction réversible entre le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau (H2O) pour former de l'acide carbonique. Quand la concentration en CO2 est trop importante dans le corps, l'anhydrase carbonique catalyse la réaction qui suit :
CO2+H2O→H2CO3
En régulant la concentration en acide carbonique dans le sang et les tissus, cette enzyme permet de conserver un pH équilibré au sein du corps.
Un diagramme à ruban de l'anhydrase carbonique humaine II. L'ion zinc est représenté au centre de la protéine par une sphère gris foncé.
Un diagramme à ruban de l'anhydrase carbonique II humaine. La chimie n'est-elle pas magnifique ? La sphère grise au centre de la protéine est un ion zinc. Image sur Wikimedia Commons, domaine public
L'anhydrase carbonique est l'une des enzymes les plus rapides que l'on connaisse, permettant d'atteindre des vitesses de 104 à 106 réactions par seconde. C'est encore plus frappant quand on compare cela à la réaction non catalysée, qui se produit à la vitesse de ~0,2 réaction par seconde. Elle permet d'aller ~105 à 107 fois plus vite !
Le graphique suivant montre l'évolution de l'énergie lors de la réaction entre le dioxyde de carbone et l'eau, pour former de l'acide carbonique. La réaction catalysée est représentée en bleu, et celle sans catalyseur en rouge.
Évolution de l'énergie dans la réaction catalysée par l'anhydrase carbonique sous haute concentration de dioxyde de carbone, montrant la différence dans l'énergie d'activation, selon la présence ou l'absence de catalyseur. Les réactifs et les produits ont la même énergie, que l'enzyme soit présente ou pas, ainsi la variation d'énergie globale reste la même.
Évolution de l'énergie lors de la réaction entre le dioxyde de carbone et l'eau pour former de l'acide carbonique. L'ajout d'un catalyseur (courbe bleue) réduit l'énergie de l'état de transition, mais ΔHrxn reste identique à celle de la réaction non catalysée (courbe rouge). Image sur Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Le catalyseur diminue l'énergie de l'état de transition. Or, puisque l'énergie d'activation est la différence entre celle-ci et l'énergie des réactifs, diminuer l'énergie de l'état de transition permet de diminuer l'énergie d'activation.
Notez bien que les énergies des réactifs et des produits sont les mêmes, qu'on ait ou pas de catalyseur. Par conséquent, l'énergie totale délivrée lors de la réaction, ΔHrxn, ne change pas quand on ajoute l'enzyme. Ceci souligne un point très important : la cinétique d'une réaction, c'est-à-dire sa vitesse de réaction, n'est pas directement liée à la thermodynamique de la réaction.

Catalyseur acide-base

Lors d'une catalyse acide, le catalyseur est en général un ion H+. Pour une catalyse basique, ce sera en général l'ion OH−.
L'hydrolyse du saccharose est un exemple de réaction qui peut être catalysée par un acide. Le saccharose (sucre de table) est constitué de la combinaison de deux molécules de sucre élémentaires (des monosaccharides) : un glucose et un fructose. En présence d'acide ou d'une enzyme comme la sucrase, le saccharose est décomposé en fructose et glucose comme on le voit dans le processus ci-dessous :
Le saccharose réagit avec H+ (en rouge) qui se fixe sur l'atome d'oxygène qui relie le fructose et le glucose. Le saccharose protoné réagit ensuite avec l'eau, pour donner une molécule de glucose, une molécule de fructose et un ion H+. Ces réactions sont réversibles.
Réaction catalysée par un acide : formation de glucose et de fructose à partir de saccharose (sucre de table)
Tout d'abord, le saccharose réagit avec H+ (en rouge) pour former du saccharose protoné. Celui-ci réagit ensuite avec l'eau (en bleu), pour donner un ion H+, une molécule de glucose et une molécule de fructose. Ces réactions sont réversibles. L'équation bilan s'écrit :
Saccharose+H2O→catalyseur acideGlucose+Fructose
Puisque l'ion H+ est aussi bien un réactif de la première étape qu'un produit de la seconde, il n'est pas consommé. Il agit comme catalyseur, et on l'indique au-dessus de la flèche, pas dans les réactifs ou les produits de la réaction.

Catalyse hétérogène ou de surface

On parle de catalyse hétérogène si le catalyseur et les réactifs ne sont pas dans la même phase. Par exemple, le catalyseur est solide et les réactifs sont liquides ou gazeux.
Le pot catalytique dans les moteurs à combustion est un bon exemple de catalyse hétérogène. Il contient des catalyseurs métalliques fixés sur un support solide. Quand les gaz d'échappement, conduits jusqu'à ce solide, entrent en contact avec les catalyseurs, les réactions chimiques qui permettent de transformer les polluants (monoxyde de carbone, hydrocarbures imbrûlés...) en éléments moins toxiques sont accentuées et accélérées.
Section transversale d'un tube métallique, montrant la structure en nid d'abeille d'un matériau poreux, le catalyseur solide.
Les catalyseurs solides du pot catalytique permettent de réduire les émissions de gaz toxiques, d'hydrocarbures non brûlés, et de particules fines. Le support est conçu pour maximiser la surface de contact entre les catalyseurs et les gaz d'échappement, là où les réactions se produisent. Image from Oak Ridge National Laboratory on flickr, CC BY-NC-ND 2.0
Le pot catalytique est aussi un bon exemple de catalyse de surface, où les molécules de réactif sont adsorbées sur la surface solide, avant de réagir et former les produits de la réaction. La vitesse d'une réaction catalysée superficiellement augmente avec la surface de contact entre les réactifs et les catalyseurs. Les supports de catalyseurs sont donc conçus pour maximiser cette surface de contact, avec des structures en nid d'abeille ou des supports poreux.
La synthèse de divers plastiques (polymères) comme le polyéthylène est un autre exemple de catalyse hétérogène ou de surface. Ces catalyseurs sont appelés catalyseurs de Ziegler-Natta, et sont utilisés pour toutes sortes de plastiques, allant du film plastique au pot de yaourt. Les catalyseurs, des métaux de transition, sont fixés sur un support solide qui entre en contact avec les réactifs (monomères) en phase gazeuse ou aqueuse.
Radiographie montrant une hanche droite (partie gauche de l'image) artificielle, dont la rotule de l'articulation est remplacée par une tête en métal, insérée dans une cavité en polyéthylène (transparente sur cette image)
Le polyéthylène est aussi utilisé pour les prothèses ! L'articulation métallique de cette hanche artificielle s'emboîte dans un support en polyéthylène, qui apparaît en clair sur la radio. Image from Wikimedia Commons, domaine public
Bien que les réactifs soient en phase gazeuse, les polymères produits sont en général solides. Les monomères en phase gazeuse, en contact avec la surface du catalyseur, réagissent pour former des couches de polymères, puis libèrent la place, le siège de la réaction, au contact des catalyseurs, pour les monomères suivants.

À retenir

  • Un catalyseur est une substance qui, ajoutée aux réactifs, augmente la vitesse de réaction, mais n'est pas consommée.
  • Les catalyseurs accélèrent généralement la réaction en diminuant l'énergie d'activation ou en modifiant le mécanisme réactionnel.
  • Les enzymes sont des protéines qui jouent le rôle de catalyseur dans des réactions biochimiques.
  • Les catalyseurs les plus connus sont les enzymes, les catalyseurs acides ou basiques, et les catalyseurs hétérogènes (ou de surface).

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