Karamö, le prof virtuelLeçon 20 sur 20
La catalyse
Je sais définir un catalyseur, reconnaître les différents types de catalyse et expliquer comment un catalyseur accélère une réaction sans modifier son état final.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 4 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir un catalyseur et énoncer ses propriétés
- Distinguer catalyse homogène, hétérogène, enzymatique, et reconnaître une autocatalyse
- Identifier le catalyseur et l'intermédiaire dans un mécanisme en deux étapes
- Connaître la sélectivité d'un catalyseur et quelques applications
Avant de commencer : La leçon « Les facteurs cinétiques » (théorie des chocs efficaces), les équations d'oxydoréduction et le tableau d'avancement.
1Je découvre
Hawa, élève à Siguiri, s'est écorchée le genou en jouant. À l'infirmerie du lycée, on verse de l'eau oxygénée sur la plaie : aussitôt, une mousse blanche apparaît. Pourtant, dans le flacon, l'eau oxygénée ne mousse pas du tout.
Au laboratoire, le professeur montre que l'eau oxygénée se décompose très lentement en eau et en dioxygène : 2 H2O2 → 2 H2O + O2. Il ajoute une pincée de poudre noire de dioxyde de manganèse dans un tube d'eau oxygénée : un dégagement gazeux intense se produit, et le gaz rallume une bûchette incandescente. À la fin, il filtre le mélange : il récupère toute la poudre noire, avec la même masse qu'au départ. Il refait l'expérience avec un morceau de pomme de terre crue : même effervescence.
Comment une substance peut-elle accélérer autant une réaction sans être consommée ?
2Je comprends
1. Définition et propriétés d'un catalyseur
Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction chimique sans être consommée par celle-ci. La catalyse est l'action d'un catalyseur.
Propriétés :
- il est retrouvé intact à la fin de la réaction (même nature, même quantité) ;
- il n'apparaît pas dans l'équation bilan ; on l'écrit au-dessus de la flèche : 2 H2O2 xrightarrowMnO2 2 H2O + O2 ;
- il agit en petite quantité ;
- il ne modifie pas l'état final : pour une réaction totale, on obtient la même quantité de produits ; pour un équilibre (estérification), il ne change ni la constante d'équilibre ni la composition finale, il permet seulement de l'atteindre plus vite ;
- il ne peut pas faire se produire une réaction impossible ; il accélère seulement une réaction qui pourrait avoir lieu.
2. Comment agit un catalyseur ?
Un catalyseur participe à la réaction : il est consommé dans une étape, puis régénéré dans une autre. Il remplace une réaction lente par une suite d'étapes plus rapides.
Exemple : la décomposition de l'eau oxygénée catalysée par les ions fer III (Fe3+) :
- étape 1 : 2 Fe3+ + H2O2 → 2 Fe2+ + O2 + 2 H^+ ;
- étape 2 : 2 Fe2+ + H2O2 + 2 H^+ → 2 Fe3+ + 2 H2O.
En additionnant les deux étapes, les ions Fe3+, Fe2+ et H^+ disparaissent de chaque côté : on retrouve 2 H2O2 → 2 H2O + O2. Les ions Fe3+ sont consommés puis régénérés : c'est le catalyseur. Les ions Fe2+ sont formés puis consommés : c'est un intermédiaire réactionnel. Pendant l'expérience, on voit la teinte de la solution changer, puis la teinte des ions fer III réapparaître à la fin.
Avec la théorie des chocs : chacune des nouvelles étapes demande moins d'énergie que la réaction directe. Une plus grande proportion des chocs est donc efficace, et la réaction est plus rapide.
3. Les différents types de catalyse
| Type | Définition | Exemples |
|---|---|---|
| Homogène | le catalyseur et les réactifs sont dans la même phase (souvent en solution) | ions Fe3+ pour H2O2 ; ions H^+ (acide sulfurique) pour l'estérification |
| Hétérogène | le catalyseur est dans une phase différente, en général un solide au contact de liquides ou de gaz | MnO2 ou platine pour H2O2 ; fer pour la synthèse de l'ammoniac ; nickel pour l'hydrogénation des huiles |
| Enzymatique | le catalyseur est une enzyme, une protéine fabriquée par un être vivant | catalase (sang, pomme de terre) pour H2O2 ; amylase de la salive pour l'amidon |
Catalyse hétérogène. La réaction se produit à la surface du catalyseur : les réactifs s'y fixent, réagissent, puis les produits s'en détachent. Plus le catalyseur est divisé (poudre, mousse, grillage fin), plus sa surface est grande et plus il est efficace. Certaines substances, appelées poisons, se fixent sur la surface et bloquent le catalyseur.
Catalyse enzymatique. Les enzymes sont extrêmement efficaces et très spécifiques : chacune catalyse une réaction précise. Elles fonctionnent le mieux à une température proche de celle de l'organisme (vers 37 °C chez l'humain) et à un pH précis ; une forte chaleur les détruit. C'est la catalase du sang qui fait mousser l'eau oxygénée sur la plaie de Hawa, et celle de la pomme de terre crue qui agit au laboratoire.
4. La sélectivité d'un catalyseur
À partir des mêmes réactifs, deux catalyseurs différents peuvent conduire à des produits différents : un catalyseur est sélectif, il accélère une réaction plutôt qu'une autre. Exemple avec l'éthanol, chauffé en phase gazeuse :
- Déshydrogénation
- CH3-CH2-OH → CH3-CHO + H2
- Produit : éthanal
- Déshydratation
- CH3-CH2-OH → CH2=CH2 + H2O
- Produit : éthylène (éthène)
L'alumine Al2O3 est obtenue à partir de la bauxite ; la Guinée, grand pays producteur de bauxite, en transforme une partie en alumine dans l'usine de Fria.
5. L'autocatalyse
Dans certaines réactions, un produit de la réaction est lui-même un catalyseur : on parle d'autocatalyse. Exemple : l'oxydation de l'acide oxalique par les ions permanganate MnO4^- est catalysée par les ions Mn2+ qu'elle produit. Au début, la réaction est lente (il n'y a pas encore de Mn2+) ; puis elle s'accélère à mesure que le catalyseur se forme ; enfin elle ralentit quand les réactifs s'épuisent.
Méthode
Pour analyser un mécanisme et trouver le catalyseur :
- J'additionne les étapes et je simplifie les espèces présentes des deux côtés : j'obtiens l'équation bilan.
- Une espèce qui apparaît comme RÉACTIF dans une étape puis comme PRODUIT dans une étape suivante, et qui n'est pas dans le bilan, est le catalyseur.
- Une espèce qui apparaît d'abord comme PRODUIT puis est consommée ensuite est un intermédiaire réactionnel.
- Je vérifie que le catalyseur n'est pas écrit dans l'équation bilan (on le note au-dessus de la flèche).
Exemple
La décomposition de l'eau oxygénée peut être catalysée par les ions iodure : étape 1 : H2O2 + I− → IO− + H2O ; étape 2 : H2O2 + IO− → I− + H2O + O2. Trouver le bilan, le catalyseur et l'intermédiaire.
Somme : 2 H2O2 + I− + IO− → IO− + I− + 2 H2O + O2 ; on simplifie I− et IO− : 2 H2O2 → 2 H2O + O2.
I− est consommé dans l'étape 1 puis régénéré dans l'étape 2 : c'est le catalyseur (catalyse homogène).
IO− est formé dans l'étape 1 puis consommé dans l'étape 2 : c'est l'intermédiaire réactionnel.
Exemple
On décompose 10,0 mL d'eau oxygénée avec du dioxyde de manganèse. Le volume final de dioxygène est 60 mL (Vm = 24 L/mol). Calculer la concentration de l'eau oxygénée. Le catalyseur modifie-t-il ce résultat ?
n(O2) = 0,060 / 24 = 2,5 × 10^−3 mol. D'après 2 H2O2 → 2 H2O + O2 : n(H2O2) = 2 × 2,5 × 10^−3 = 5,0 × 10^−3 mol.
C = 5,0 × 10^−3 / 0,0100 = 0,50 mol/L.
Le catalyseur ne change pas le volume final : sans lui, on obtiendrait aussi 60 mL, mais au bout d'un temps beaucoup plus long.
6. Importance de la catalyse
La plupart des productions de l'industrie chimique utilisent des catalyseurs : synthèse de l'ammoniac (pour les engrais), fabrication de l'acide sulfurique, raffinage du pétrole, fabrication de la margarine par hydrogénation des huiles. Dans les voitures, les pots catalytiques transforment une partie des gaz polluants en gaz moins nocifs. Dans les êtres vivants, sans les enzymes, la digestion et la respiration seraient beaucoup trop lentes pour entretenir la vie.
3Je retiens
Je retiens
Catalyseur : substance qui accélère une réaction sans être consommée ; il est retrouvé intact à la fin.
Il n'apparaît pas dans l'équation bilan (on l'écrit au-dessus de la flèche) et agit en petite quantité.
Il ne modifie pas l'état final (ni la constante d'un équilibre) et ne rend pas possible une réaction impossible.
Il est consommé dans une étape et régénéré dans une autre ; il offre un chemin plus facile (plus de chocs efficaces).
Catalyse homogène : même phase ; hétérogène : phases différentes (solide divisé) ; enzymatique : enzyme (spécifique, sensible à la température et au pH).
Un catalyseur est sélectif : mêmes réactifs, catalyseurs différents, produits différents.
Autocatalyse : un produit de la réaction est le catalyseur (démarrage lent puis accélération).
4Erreurs fréquentes
- Écrire le catalyseur comme réactif ou produit dans l'équation bilan : il se note au-dessus de la flèche.
- Croire qu'un catalyseur augmente la quantité de produit ou le rendement d'un équilibre : il ne fait que réduire la durée.
- Confondre catalyseur et intermédiaire : le catalyseur est présent au début et à la fin ; l'intermédiaire est formé puis consommé.
- Dire qu'un catalyseur « ne participe pas » à la réaction : il y participe, mais il est régénéré.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Vrai ou faux ? Corrige les affirmations fausses.
a) Un catalyseur est consommé au cours de la réaction.
b) Un catalyseur augmente la quantité finale de produit.
c) Un catalyseur permet d'atteindre plus vite l'état d'équilibre d'une estérification.
d) Une enzyme est un catalyseur biologique.
e) Un catalyseur hétérogène est plus efficace quand il est en gros morceaux.
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a) Faux : il est régénéré et retrouvé intact à la fin.
b) Faux : il ne modifie pas l'état final, il réduit seulement la durée.
c) Vrai.
d) Vrai.
e) Faux : il est plus efficace quand il est très divisé (grande surface de contact).
2Exercice 2
Indique le type de catalyse (homogène, hétérogène, enzymatique) :
a) estérification catalysée par l'acide sulfurique ;
b) décomposition de l'eau oxygénée par la catalase d'une pomme de terre ;
c) décomposition de l'eau oxygénée sur un fil de platine ;
d) hydrogénation d'une huile sur du nickel en poudre.
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a) homogène (tout est en solution) ; b) enzymatique ; c) hétérogène (solide / liquide) ; d) hétérogène.
3Exercice 3
Une réaction se fait en deux étapes :
étape 1 : A + C → I ; étape 2 : I + B → P + C.
a) Écris l'équation bilan.
b) Identifie le catalyseur et l'intermédiaire réactionnel.
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a) Somme : A + C + I + B → I + P + C ; on simplifie C et I : A + B → P.
b) C est consommé dans l'étape 1 et régénéré dans l'étape 2 : c'est le catalyseur. I est formé dans l'étape 1 et consommé dans l'étape 2 : c'est l'intermédiaire réactionnel.
4Exercice 4
L'éthanol CH3-CH2-OH est chauffé en présence de cuivre, puis, dans une autre expérience, en présence d'alumine.
a) Écris les deux équations et nomme les produits organiques.
b) Quelle propriété des catalyseurs ces expériences illustrent-elles ?
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a) Avec le cuivre : CH3-CH2-OH → CH3-CHO + H2 ; produit : l'éthanal.
Avec l'alumine : CH3-CH2-OH → CH2=CH2 + H2O ; produit : l'éthylène (éthène).
b) La sélectivité : à partir du même réactif, chaque catalyseur oriente vers une réaction différente.
5Exercice 5
(Type BAC) Sékou étudie la décomposition de 10,0 mL d'une solution d'eau oxygénée : 2 H2O2 → 2 H2O + O2. Expérience A : sans catalyseur ; expérience B : avec 0,10 g de dioxyde de manganèse en poudre ; expérience C : avec un morceau de pomme de terre crue ; expérience D : avec un morceau de pomme de terre cuite (bouillie). Vm = 24 L/mol.
a) Dans l'expérience B, le volume final de dioxygène est 48 mL. Calcule la concentration de l'eau oxygénée.
b) Quel volume final obtiendrait-on dans l'expérience A, au bout d'un temps très long ? Justifie.
c) À la fin de l'expérience B, Sékou filtre, sèche et pèse le solide noir. Quelle masse trouve-t-il ? Pourquoi ?
d) Dans l'expérience D, il n'observe presque aucun dégagement gazeux. Explique.
e) Quel est le type de catalyse dans B et dans C ?
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a) n(O2) = 0,04824 = 2,0 × 10-3 mol ; n(H2O2) = 2 × 2,0 × 10-3 = 4,0 × 10-3 mol ; C = 4,0 × 10-30,0100 = 0,40 mol/L.
b) 48 mL aussi : le catalyseur ne change pas l'état final ; sans catalyseur la réaction est simplement beaucoup plus lente.
c) Il trouve 0,10 g : le catalyseur n'est pas consommé, il est retrouvé intact à la fin.
d) La catalyse est due à une enzyme, la catalase, contenue dans la pomme de terre. La cuisson (forte chaleur) a détruit l'enzyme : il n'y a plus de catalyse, et la réaction redevient très lente.
e) B : catalyse hétérogène (solide dans un liquide). C : catalyse enzymatique.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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