Chapitre 3 - Catalyse et catalyseurs

Séquence- Transformations lentes et rapides
2010/2011
Chapitre 3 - Catalyse et catalyseurs
I- Qu'est ce qu'un catalyseur ?
1- Mise en évidence expérimentale
L’eau oxygénée n’est pas une espèce chimique instable, si elle n'est pas conservée à basse
température, on observe une réaction de dismutation.
C’est une réaction d’oxydoréduction spontanée entre l’eau oxygénée, oxydant du couple
H2O2(aq)/H2O(l) et réducteur du couple O2(g)/H2O2(aq).
+
H 2 O 2(aq) + 2 H (aq)
+ 2 e−
H 2 O 2(aq)
2 H 2 O 2(aq)
=
=
ﾾﾾ
ﾾ
2 H 2O
+
O 2(g) + 2 H (aq)
+ 2 e−
O 2(g) + 2 H 2 O
Cette transformation est très lente dans les conditions habituelles, mais elle peut être catalysée
de différentes manières :
a- Catalyse par un morceau de platine : catalyse hétérogène
Dans un bécher verser un peu d’eau oxygénée à 20 volumes. Y plonger un fil de platine ou un
disque platiné. Boucher le tube quelques instants puis approcher une buchette incandescente.
Vidéo fil de platine
Vidéo disque de platine
Observation :
Il y a une effervescence plus importante au contact du disque qu’au contact du fil.
Le gaz ravive la buchette incandescente, c’est donc du dioxygène.
Interprétation :
La réaction est accélérée par la présence du platine.
Le catalyseur étant dans un état physique différents que les réactifs intervenants dans la
transformation qu'il accélère, on dit que cette catalyse est hétérogène.
b- Catalyse par les ions fer III : catalyse homogène
Dans trois tubes à essais, on verse de l’eau oxygénée à 20 volumes jusqu’au milieu du tube
environ.
On ajoute dans le premier tube 1 mL de solution de chlorure de fer III à 1 mol/L, dans le
deuxième 1 mL de solution de fer III à 0,5 mol/L et dans le troisième 1mL de solution de
chlorure de fer III à 0,1 mol/L.
Vidéo 1
(Vidéo 2, plus nette, juste pour voir clairement le phénomène)
A.Batut
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Observations :
Dans chaque tube, on observe un dégagement gazeux, celui-ci est plus important dans le tube
où la solution de chlorure de fer (III) est la plus concentrée.
On observe également un changement de couleur de la solution : la teinte jaune orangée, due
aux Fe3+(aq) fait place à une teinte brune, puis la couleur jaune orangée initiale réapparait quand
le dégagement gazeux cesse.
Interprétation :
L’addition d’une quantité d’ions Fe 3+(aq) à l’eau oxygénée accélère sa dismutation d’autant plus
rapidement que la concentration des ions Fe 3+(aq) est plus élevée.
Le changement de couleur de la solution indique que les ions Fe 3+(aq) participent à la réaction et
sont régénérés à la fin de celle-ci.
c- Catalyse par la catalase : Catalyse enzymatique
Dans deux tubes contenant de l’eau oxygénée, on ajoute un morceau de navet dans l’un et un
morceau de viande rouge (ou du sang) dans l’autre.
Vidéo
Observations :
Il se produit un dégagement gazeux dans les deux cas.
Interprétation :
La catalase est une enzyme contenant l’ion Fe 3+ ; elle est présente dans la sang ou le jus de
certains légumes comme le navet. Elle est responsable de l’effervescence, donc de la
dismutation de l’eau oxygénée.
e- Régénération du catalyseur
Dans un grand bécher dissoudre 3g de sel de Seignette (tartrate de sodium et de potassium)
dans 50 mL d'eau. Ajouter 20 mL d'eau oxygénée à 20 volumes. Observer.
Visiblement, rien ne se passe (réaction très lente).
Rajouter 2g de chlorure de cobalt II (rose). qui donne une coloration rose à la
solution.
Vidéo
Observations :
Il se produit une effervescence importante de dioxyde de carbone. La solution passe du rose au
vert (formation d'ions cobal III). Le dégagement cesse au bout de quelques minutes et la
solution redevient rose (le catalyseur est régénéré).
Interprétation :
L’ion cobalt (II) est un catalyseur de la transformation spontanée entre les ions tartrate et le
peroxyde d’hydrogène. Il participe à la réaction et est oxydé en ion cobalt (III) vert.
La réapparition de la couleur rose montre que les ions cobalt (II) sont régénérés.
A.Batut
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Équation de la réaction :
+
H 2 O 2(aq) + 2 H (aq)
+ 2 e−
2−
C4 H 4 O6(aq)
+ 2 H 2O
2−
+
C 4 H 4 O6(aq) + 5 H 2 O 2(aq) + 2 H (aq)
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=
2 H 2O
+
= 4 CO 2(g) + 8 H (aq)
+ 10 e −
=
4 CO 2(g) + 8 H 2 O
(ﾾ5)
Conclusion :
Le catalyseur participe à la réaction : il est d’abord consommé puis il est régénéré.
2- Définition
Un catalyseur est une espèce qui accélère une transformation chimique sans être
consommé. (Il n'intervient donc pas dans l'équation de la réaction)
La catalyse est l’action d’un catalyseur sur une réaction chimique.
3- Les différents types de catalyse
On distingue trois types de catalyse (cf expériences) :
- La catalyse homogène, lorsque le catalyseur appartient à la même phase que les
réactifs.
- La catalyse hétérogène, lorsque le catalyseur n'appartient pas à la même phase que
les réactifs.
- La catalyse enzymatique, lorsque le catalyseur est une enzyme.
II- Caractéristiques de la catalyse
1- Mode d'action d'un catalyseur
Un catalyseur modifie le mécanisme réactionnel de la transformation, c'est à dire la nature des
étapes permettant de passer des réactifs aux produits.
2- Sélectivité de la catalyse
Pour un système susceptible d’évoluer selon plusieurs réactions, un catalyseur est dit sélectif
s’il accélère préférentiellement l’une d’elle.
Exemple : la décomposition de l’éthanol.
A.Batut
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3- Catalyse dans l’industrie et la vie courante
La sélectivité de la catalyse est mise à profit dans l’industrie pour réduire les coûts de
production.
Exemples : synthèse de l’ammoniac, synthèse de l’acide nitrique (la 1° étape de la synthèse est
catalysée), synthèse de l’acide sulfurique…
La sélectivité permet également d’obtenir les espèces voulues en pétrochimie (voir cours de
1°S)
En biochimie, les enzymes catalysent de nombreuses réactions au sein des organismes
vivants.
Dans la vie courante :
les pots catalytiques essaient de lutter contre la pollution atmosphérique,
les fours catalytiques auto-nettoyants permettent la destruction des graisses…
N'hésitez pas à consulter les liens sur le site ( http://sciences.valdeseine.free.fr ), pour aller plus
loin...
A.Batut
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