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12.7 : Catalyse

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    Objectifs d'apprentissage
    • Expliquer la fonction d'un catalyseur en termes de mécanismes de réaction et de diagrammes d'énergie potentielle
    • Énumérer des exemples de catalyse dans des procédés naturels et industriels

    Nous avons vu que la vitesse de nombreuses réactions peut être accélérée par des catalyseurs. Un catalyseur accélère la vitesse d'une réaction en diminuant l'énergie d'activation ; en outre, le catalyseur est régénéré au cours du processus. Plusieurs réactions thermodynamiquement favorables en l'absence de catalyseur ne se produisent qu'à une vitesse raisonnable lorsqu'un catalyseur est présent. L'une de ces réactions est l'hydrogénation catalytique, le processus par lequel de l'hydrogène est ajouté à travers une liaison alcène C=C pour obtenir le produit alcane saturé. Une comparaison des diagrammes de coordonnées de réaction (également appelés diagrammes d'énergie) pour l'hydrogénation des alcènes catalysée et non catalysée est présentée à la figure\(\PageIndex{1}\).

    Figure\(\PageIndex{1}\) : Ce graphique compare les coordonnées de réaction pour l'hydrogénation des alcènes catalysée et non catalysée.
    Un graphique est présenté avec l'étiquette « Coordonnée de réaction » sur l'axe des abscisses et l'étiquette « Énergie » sur l'axe des y. À peu près à mi-hauteur de l'axe Y, courte portion d'une courbe noire concave vers le bas à laquelle s'étend une ligne horizontale traversant le graphique. L'extrémité gauche de cette ligne est intitulée « H indice 2 C est égal à C H indice 2 plus H indice 2 ». La courbe noire concave descendante s'étend vers le haut pour atteindre un maximum proche de la hauteur de l'axe y. Le sommet de cette courbe est étiqueté « État de transition ». Une flèche à double face s'étend de la ligne horizontale jusqu'au sommet de la courbe. Cette flèche est intitulée « Énergie d'activation de la réaction non catalysée ». À partir du sommet, la courbe continue vers le bas jusqu'à une seconde région aplatie horizontalement bien en dessous de l'origine de la courbe, près de l'axe X. Cette région aplatie est ombrée en bleu et est étiquetée « H indice 3 C tiret C H indice 3 ». Une flèche à double face est tracée depuis la partie inférieure de cette courbe, à l'extrême droite du graphique, jusqu'à la ligne traversant le graphique au-dessus. Cette flèche est intitulée « delta H capital inférieur à 0 : exothermique ». Une deuxième courbe est dessinée avec les mêmes régions aplaties au début et à la fin de la courbe. La hauteur de cette courbe est environ les deux tiers de la hauteur de la première courbe. Une flèche à double face est tracée à partir de la ligne horizontale qui part du côté gauche du graphique jusqu'au sommet de cette deuxième courbe. Cette flèche est étiquetée « Énergie d'activation de la réaction catalysée ».

    Les catalyseurs fonctionnent en fournissant un mécanisme de réaction alternatif dont l'énergie d'activation est inférieure à celle qui serait trouvée en l'absence du catalyseur. Dans certains cas, le mécanisme catalysé peut inclure des étapes supplémentaires, comme le montrent les diagrammes de réaction présentés à la figure.\(\PageIndex{2}\) Cette énergie d'activation plus faible entraîne une augmentation du taux, comme décrit par l'équation d'Arrhenius. Il est à noter qu'un catalyseur diminue l'énergie d'activation pour les réactions directe et inverse et accélère ainsi les réactions directe et inverse. Par conséquent, la présence d'un catalyseur permettra à un système d'atteindre l'équilibre plus rapidement, mais cela n'a aucun effet sur la position de l'équilibre telle que reflétée dans la valeur de sa constante d'équilibre (voir le chapitre suivant sur l'équilibre chimique).

    Figure\(\PageIndex{2}\) : Ce diagramme d'énergie potentielle montre l'effet d'un catalyseur sur l'énergie d'activation. Le catalyseur fournit un chemin de réaction différent avec une énergie d'activation plus faible. Comme indiqué, la voie catalysée implique un mécanisme en deux étapes (notez la présence de deux états de transition) et une espèce intermédiaire (représentée par la vallée entre les deux états de transition).
    Un graphique est présenté avec l'étiquette « Étendue de la réaction », qui apparaît dans une flèche pointant vers la droite sous l'axe des abscisses et l'étiquette « Énergie » dans une flèche pointant vers le haut juste à gauche de l'axe des y. À environ un cinquième de la hauteur de l'axe Y, une partie très courte et légèrement aplatie d'une courbe rouge et d'une courbe bleue est représentée. Cette région est étiquetée « Réactifs ». Une courbe descendante concave rouge s'étend vers le haut pour atteindre un maximum proche de la hauteur de l'axe Y. Cette courbe est étiquetée « Voie non catalysée ». À partir du sommet, la courbe continue vers le bas jusqu'à une seconde région aplatie horizontalement à une hauteur d'environ un tiers de la hauteur de l'axe y. Cette zone aplatie est étiquetée « Produits ». Une deuxième courbe est dessinée en bleu avec les mêmes régions aplaties au début et à la fin de la courbe. La hauteur de cette courbe représente environ les deux tiers de la hauteur de la première courbe et, juste à droite de son maximum, la courbe descend vers le bas, puis remonte et poursuit une tendance à la baisse à une hauteur plus basse, mais similaire à celle de la courbe rouge. Cette courbe bleue est étiquetée « Voie catalysée ».
    Exemple\(\PageIndex{1}\): Using Reaction Diagrams to Compare Catalyzed Reactions

    Les deux diagrammes de réaction présentés ici représentent la même réaction : l'un sans catalyseur et l'autre avec catalyseur. Identifiez quel diagramme suggère la présence d'un catalyseur et déterminez l'énergie d'activation de la réaction catalysée :

     

    Sur cette figure, deux graphiques sont présentés. Les axes X sont étiquetés « Étendue de la réaction » et les axes y sont étiquetés « Énergie (k J) ». Les axes Y sont repérés de 0 à 50 par intervalles de cinq. Dans a, une courbe bleue est représentée. Il commence par un segment horizontal vers 6. La courbe s'élève ensuite brusquement vers le milieu pour atteindre un maximum d'environ 32 et descend de la même manière vers un autre segment horizontal à environ 10. En b, la courbe commence et se termine de la même manière, mais le maximum atteint près du centre du graphique n'est que de 20.
    Solution

    Un catalyseur n'affecte pas l'énergie du réactif ou du produit, de sorte que ces aspects des diagrammes peuvent être ignorés ; ils sont, comme on pouvait s'y attendre, identiques à cet égard. Il existe toutefois une différence notable dans l'état de transition, qui est nettement plus bas dans le diagramme (b) que dans (a). Ceci indique l'utilisation d'un catalyseur dans le schéma (b). L'énergie d'activation est la différence entre l'énergie des réactifs de départ et l'état de transition, un maximum sur le diagramme de coordonnées de la réaction. Les réactifs sont à 6 kJ et l'état de transition à 20 kJ, de sorte que l'énergie d'activation peut être calculée comme suit :

    \[E_\ce{a}=\mathrm{20\:kJ−6\:kJ=14\:kJ} \label{12.8.1} \]

    Exercice\(\PageIndex{1}\)

    Déterminez lequel des deux diagrammes présentés ici (tous deux pour la même réaction) implique un catalyseur et identifiez l'énergie d'activation de la réaction catalysée :

     

    Sur cette figure, deux graphiques sont présentés. Les axes X sont étiquetés « Étendue de la réaction » et les axes y sont étiquetés « Énergie (k J) ». Les axes Y sont marqués de 0 à 100 à des intervalles de 10. Dans a, une courbe bleue est représentée. Il commence par un segment horizontal vers 10. La courbe s'élève ensuite brusquement vers le milieu pour atteindre un maximum d'environ 91, puis diminue brusquement jusqu'à environ 52, remonte à nouveau brusquement jusqu'à environ 73 et tombe sur un autre segment horizontal à environ 5. En b, la courbe commence et se termine de la même manière, mais le premier pic atteint environ 81, descend à environ 55, puis remonte à environ 77 avant de tomber dans la région horizontale à environ 5.
    Réponse

    Le schéma (b) est une réaction catalysée avec une énergie d'activation d'environ 70 kJ.

    Catalyseurs homogènes

    Un catalyseur homogène est présent dans la même phase que les réactifs. Il interagit avec un réactif pour former une substance intermédiaire, qui se décompose ensuite ou réagit avec un autre réactif en une ou plusieurs étapes pour régénérer le catalyseur d'origine et former le produit. Comme illustration importante de la catalyse homogène, considérez la couche d'ozone de la Terre. L'ozone de la haute atmosphère, qui protège la Terre des rayons ultraviolets, se forme lorsque les molécules d'oxygène absorbent la lumière ultraviolette et subissent la réaction :

    \[\ce{3O2}(g)\xrightarrow{hv}\ce{2O3}(g) \label{12.8.2} \]

    L'ozone est une molécule relativement instable qui se décompose pour produire de l'oxygène diatomique selon l'inverse de cette équation. Cette réaction de décomposition est conforme au mécanisme suivant :

    \ [\ ce {O3 ⟶ O2 + O \ \
    O + O3 ⟶ 2O2} \ étiquette {12,8,3} \]

    La présence d'oxyde nitrique (NO) influence le taux de décomposition de l'ozone. L'oxyde nitrique agit comme catalyseur dans le mécanisme suivant :

    \ [\ ce {NON} (g) + \ ce {O3} (g) ⟶ \ ce {NO2} (g) + \ ce {O2} (g) \ \ \ ce {O3} (g) ⟶
     \ ce {O2} (g) + \ ce {O} (g) \ \ ce {NO2} (g) +
     \ ce {O} (g) ⟶ \ ce {O} (g) ⟶ \ ce {O} (g) ⟶ \ ce {O} (g) g) + \ ce {O2} (g) \ étiquette {12,8,4} \]

    Le changement chimique global du mécanisme catalysé est le même que :

    \[\ce{2O3}(g)⟶\ce{3O2}(g) \label{12.8.5} \]

    Le monoxyde d'azote réagit et se régénère lors de ces réactions. Il n'est pas épuisé en permanence ; il agit donc comme un catalyseur. Le taux de décomposition de l'ozone est plus élevé en présence d'oxyde nitrique en raison de l'activité catalytique du NO. Certains composés contenant du chlore catalysent également la décomposition de l'ozone.

    Mario J. Molina

    Le prix Nobel de chimie de 1995 a été partagé par Paul J. Crutzen, Mario J. Molina (Figure\(\PageIndex{3}\)) et F. Sherwood Rowland « pour leurs travaux en chimie de l'atmosphère, en particulier concernant la formation et la décomposition de l'ozone ». Molina, citoyen mexicain, a effectué la majeure partie de son travail au Massachusetts Institute of Technology (MIT).

    Figure\(\PageIndex{3}\) : (a) Le chimiste mexicain Mario Molina (1943 —) a reçu le prix Nobel de chimie en 1995 pour ses recherches sur (b) le trou d'ozone en Antarctique. (crédit a : avec l'aimable autorisation de Mario Molina ; crédit b : modification des travaux par la NASA)
    Une photographie de Mario Molina est présentée. À droite de la photo, une image de l'hémisphère sud de la Terre apparaît avec une région circulaire centrale en violet dont le rayon est environ la moitié de celui de l'hémisphère entier. Juste à l'extérieur de cette région se trouve une étroite bande bleu royal, suivie d'une fine bande extérieure bleu turquoise. La majeure partie de la région ultrapériphérique est verte. Deux petites bandes jaunes sont présentes dans les zones inférieures de l'image.

    En 1974, Molina et Rowland ont publié un article dans la revue Nature (l'une des principales publications scientifiques à comité de lecture) détaillant la menace des gaz chlorofluorocarbonés pour la stabilité de la couche d'ozone dans la haute atmosphère de la Terre. La couche d'ozone protège la Terre du rayonnement solaire en absorbant les rayons ultraviolets. À mesure que les réactions chimiques appauvrissent la quantité d'ozone dans la haute atmosphère, un « trou » mesurable se forme au-dessus de l'Antarctique et une augmentation de la quantité de rayonnement ultraviolet solaire, étroitement liée à la prévalence des cancers de la peau, atteint la surface de la Terre. Les travaux de Molina et Rowland ont joué un rôle déterminant dans l'adoption du Protocole de Montréal, un traité international signé en 1987 qui a permis d'éliminer progressivement la production de produits chimiques liés à la destruction de l'ozone.

    Molina et Rowland ont démontré que les atomes de chlore provenant de produits chimiques fabriqués par l'homme peuvent catalyser la destruction de l'ozone selon un processus similaire à celui par lequel le NO accélère l'appauvrissement de la couche d'ozone. Les atomes de chlore sont générés lorsque les chlorocarbones ou les chlorofluorocarbones, autrefois largement utilisés comme réfrigérants et propulseurs, sont décomposés photochimiquement par la lumière ultraviolette ou réagissent avec des radicaux hydroxyles. Un exemple de mécanisme est illustré ici en utilisant le chlorure de méthyle :

    \[\ce{CH3Cl + OH ⟶ Cl + other\: products} \nonumber \]

    Les radicaux chlorés décomposent l'ozone et sont régénérés par le cycle catalytique suivant :

    \ [\ ce {Cl + O3 ⟶ ClO + O2} \ \
     \ ce {ClO + O ⟶ Cl + O2} \ \
     \ textrm {Réaction globale :} \ ce {O3 + O ⟶ 2O2} \ nonumber \]

    Un seul chlore monatomique peut décomposer des milliers de molécules d'ozone. Heureusement, la majorité du chlore atmosphérique existe sous forme de formes catalytiquement inactives Cl 2 et ClONO 2.

    Déficit en glucose-6-phosphate déshydrogénase

    Les enzymes présentes dans le corps humain agissent comme des catalyseurs de réactions chimiques importantes dans le métabolisme cellulaire. Ainsi, une déficience d'une enzyme particulière peut se traduire par une maladie potentiellement mortelle. Le déficit en G6PD (glucose-6-phosphate déshydrogénase), une maladie génétique qui entraîne une pénurie de l'enzyme glucose-6-phosphate déshydrogénase, est le déficit enzymatique le plus fréquent chez l'homme. Cette enzyme, illustrée à la figure\(\PageIndex{4}\), est l'enzyme limitant le taux de la voie métabolique qui fournit le NADPH aux cellules (Figure\(\PageIndex{5}\)).

    Figure \(\PageIndex{4}\): La glucose-6-phosphate déshydrogénase est une enzyme limitant le débit de la voie métabolique qui fournit du NADPH aux cellules.
    Un modèle coloré de la structure de la glucose-6-phosphate déshydrogénase est présenté. La molécule possède deux lobes distincts qui sont remplis de régions spiralées semblables à des rubans jaunes, lavande, bleus, argentés, verts et roses.

    Une perturbation de cette voie peut entraîner une réduction du glutathion dans les globules rouges ; une fois que tout le glutathion est consommé, les enzymes et autres protéines telles que l'hémoglobine sont susceptibles d'être endommagées. Par exemple, l'hémoglobine peut être métabolisée en bilirubine, ce qui entraîne une jaunisse, une affection qui peut devenir grave. Les personnes qui souffrent d'un déficit en G6PD doivent éviter certains aliments et médicaments contenant des substances chimiques qui peuvent endommager leurs globules rouges déficients en glutathion.

    Figure\(\PageIndex{5}\) : Dans le mécanisme de la voie du pentose phosphate, le G6PD catalyse la réaction qui régule le NAPDH, une coenzyme qui régule le glutathion, un antioxydant qui protège les globules rouges et autres cellules des dommages oxydatifs.
    Un mécanisme de réaction est schématisé sur cette figure. À gauche, le nom Glucose est suivi d'une flèche horizontale pointant vers la droite, intitulée « Hexokinase ». En dessous de cette flèche et à gauche se trouve une étoile jaune intitulée « A T P ». Une flèche incurvée s'étend de cette forme jusqu'à la flèche pointant vers la droite, et vers la droite jusqu'à un petit ovale brun étiqueté « A D P ». À droite de la flèche horizontale se trouve le nom Phosphate de glucose 6, qui est suivi d'une autre flèche horizontale pointant vers la droite, étiquetée « G 6 P D ». Un petit rectangle orange situé en dessous et à gauche de cette flèche porte la mention « N A D P exposant plus ». Une flèche incurvée s'étend de cette forme jusqu'à la flèche pointant vers la droite, et vers la droite jusqu'à un petit rectangle couleur saumon intitulé « N A P D H ». Une flèche incurvée part de cette forme vers le bas et vers la gauche pour revenir au rectangle orange intitulé « N A D P exposant plus ». Une autre flèche incurvée s'étend depuis un ovale vert marqué « G S S G » sous le rectangle orange, jusqu'à la flèche remontant vers le rectangle orange. Cette dernière flèche incurvée continue vers le coin inférieur droit jusqu'à un deuxième ovale vert étiqueté « G S H ». La fin de cette flèche incurvée est étiquetée « Glutathion réductase ». À droite de la flèche horizontale la plus à droite apparaît le nom 6 phosphogluconate.

    Catalyseurs hétérogènes

    Un catalyseur hétérogène est un catalyseur présent dans une phase différente (généralement un solide) de celle des réactifs. Ces catalyseurs fonctionnent généralement en fournissant une surface active sur laquelle une réaction peut se produire. Les réactions en phase gazeuse et liquide catalysées par des catalyseurs hétérogènes se produisent à la surface du catalyseur plutôt qu'à l'intérieur de la phase gazeuse ou liquide.

    La catalyse hétérogène comporte au moins quatre étapes :

    1. Adsorption du réactif sur la surface du catalyseur
    2. Activation du réactif adsorbé
    3. Réaction du réactif adsorbé
    4. Diffusion du produit depuis la surface vers la phase gazeuse ou liquide (désorption).

    Chacune de ces étapes peut être lente et peut donc servir d'étape de détermination du débit. En général, cependant, en présence du catalyseur, la vitesse globale de la réaction est plus rapide qu'elle ne le serait si les réactifs étaient en phase gazeuse ou liquide.

    La figure\(\PageIndex{6}\) illustre les étapes que les chimistes pensent suivre lors de la réaction de composés contenant une double liaison carbone-carbone avec l'hydrogène sur un catalyseur au nickel. Le nickel est le catalyseur utilisé dans l'hydrogénation des graisses et des huiles polyinsaturées (qui contiennent plusieurs liaisons doubles carbone-carbone) pour produire des graisses et des huiles saturées (qui ne contiennent que des liaisons simples carbone-carbone).

    Figure\(\PageIndex{6}\) : La catalyse de la réaction\(\ce{C2H4 + H2 ⟶ C2H6}\) par le nickel comporte quatre étapes. (a) L'hydrogène est adsorbé à la surface, brisant les liaisons H—H et formant des liaisons Ni-H. (b) L'éthylène est adsorbé à la surface, brisant la liaison π et formant des liaisons Ni-C. (c) Les atomes diffusent à travers la surface et forment de nouvelles liaisons C—H lorsqu'ils entrent en collision. (d) Les molécules de C 2 H 6 s'échappent de la surface du nickel, car elles ne sont pas fortement attirées par le nickel.
    Sur cette figure, quatre diagrammes étiquetés de a à d sont présentés. Dans chacune d'elles, une surface carrée verte est représentée en perspective pour donner un aspect tridimensionnel. Dans a, l'étiquette « surface N i » est placée au-dessus avec un segment de ligne s'étendant jusqu'au carré vert. En bas à gauche et en haut à droite, des paires de sphères blanches collées plus solidement entre elles apparaissent ainsi que des sphères blanches sur la surface verte. Des flèches noires sont tracées depuis chacune des sphères blanches situées au-dessus de la surface jusqu'à la sphère blanche située sur la surface verte. En b, les sphères blanches sont toujours présentes sur la surface verte. Près du centre de cette surface se trouve une molécule avec deux sphères noires centrales avec une double liaison indiquée par deux bâtonnets noirs horizontaux entre elles. Au-dessus et en dessous, à gauche et à droite, un total de quatre sphères blanches sont reliées aux sphères noires par des bâtonnets blancs. Un segment de ligne s'étend de cette structure jusqu'à l'étiquette « Éthylène absorbé lors de la rupture de surface des liaisons pi ». Juste au-dessus se trouve une structure presque identique grisée avec trois flèches pointant vers le bas pointant vers le bas vers la structure noire et blanche pour indiquer un mouvement vers le bas. L'étiquette « Éthylène » en haut du schéma est reliée à la structure grisée par un segment de ligne. En c, le diagramme est très similaire à b, sauf que la structure et les étiquettes grisées ont disparu et qu'une des sphères blanches situées près de la structure noire et blanche de chaque paire sur la surface verte est grisée. Les flèches pointent des sphères blanches grisées vers la double liaison entre les deux sphères noires. En d, il ne reste qu'une seule sphère blanche de chaque paire sur la surface verte. Une flèche incurvée pointe du milieu de la surface verte vers un modèle au-dessus duquel se trouvent deux sphères noires centrales et une seule tige noire indiquant une liaison unique entre elles. Chacun des bâtonnets noirs possède trois petites sphères blanches liées, comme indiqué par des bâtonnets blancs entre les sphères noires et les petites sphères blanches. Les quatre liaisons autour de chaque sphère noire sont réparties uniformément autour des sphères noires.

    Parmi les autres procédés industriels importants impliquant l'utilisation de catalyseurs hétérogènes, citons la préparation d'acide sulfurique, la préparation d'ammoniac, l'oxydation de l'ammoniac en acide nitrique et la synthèse du méthanol, CH 3 OH. Des catalyseurs hétérogènes sont également utilisés dans les convertisseurs catalytiques que l'on trouve sur la plupart des automobiles à essence (Figure\(\PageIndex{7}\)).

    Convertisseurs catalytiques automobiles

    Les scientifiques ont développé des convertisseurs catalytiques pour réduire la quantité d'émissions toxiques produites par la combustion d'essence dans les moteurs à combustion interne. Les convertisseurs catalytiques tirent parti des cinq facteurs qui influent sur la vitesse des réactions chimiques pour garantir des émissions de gaz d'échappement aussi sûres que possible.

    En utilisant un mélange soigneusement sélectionné de métaux catalytiquement actifs, il est possible de réaliser une combustion complète de tous les composés contenant du carbone en dioxyde de carbone tout en réduisant la production d'oxydes d'azote. Cela est particulièrement impressionnant si l'on considère qu'une étape consiste à ajouter plus d'oxygène à la molécule et que l'autre implique l'élimination de l'oxygène (Figure\(\PageIndex{6}\)).

    Figure\(\PageIndex{6}\) : Un convertisseur catalytique permet la combustion de tous les composés contenant du carbone en dioxyde de carbone, tout en réduisant la production d'oxyde d'azote et d'autres polluants dans les émissions des moteurs à essence.
    Une image d'un convertisseur catalytique est présentée. En haut à gauche, une flèche bleue pointant vers un tuyau qui entre dans une chambre plus grande et élargie est étiquetée « Émissions sales ». Une petite flèche noire pointant vers le coin inférieur droit est positionnée le long du côté supérieur gauche de la zone élargie. Cette flèche est intitulée « Oxygène supplémentaire provenant de la pompe à air ». L'image montre le convertisseur avec la surface supérieure retirée, exposant ainsi un intérieur brun-rouge. La partie du convertisseur la plus proche de l'entrée d'émissions polluantes présente de petits composants ronds dans une couche intérieure. Cette couche est étiquetée « Catalyseur de réduction à trois voies ». La région centrale montre de petites tiges brunes étroitement tassées qui sont alignées parallèlement au tuyau d'entrée des émissions sales. Le dernier quart de l'intérieur du convertisseur catalytique présente à nouveau une couche de petits cercles bruns rouges serrés. Deux grandes flèches gris clair s'étendent de cette couche jusqu'à la zone ouverte en bas à droite de l'image jusqu'à l'étiquette « Émissions propres ».

    La plupart des convertisseurs catalytiques à trois voies modernes possèdent une surface imprégnée d'un catalyseur platine-rhodium, qui catalyse la conversion de l'oxyde nitrique en diazote et en oxygène ainsi que la conversion du monoxyde de carbone et des hydrocarbures tels que l'octane en dioxyde de carbone et en vapeur d'eau :

    \ [\ ce {2NO2} (g) ⟶ \ ce {N2} (g) + \ ce {2O2} (g) \ \ [5 points]
     \ ce {2CO} (g) + \ ce {O2} (g) ⟶ \ ce {2CO2} (g) \ \ [5 points]
     \ ce {2C8H18} (g) + \ ce {25O2} (g) ⟶ \ ce {16 CO2} (g) + \ ce {18 H2O} (g) \ aucun nombre \]

    Afin d'être aussi efficaces que possible, la plupart des convertisseurs catalytiques sont préchauffés par un radiateur électrique. Cela garantit que les métaux contenus dans le catalyseur sont pleinement actifs avant même que les gaz d'échappement de l'automobile ne soient suffisamment chauds pour maintenir des températures de réaction appropriées.

    Structure et fonction des enzymes

    L'étude des enzymes constitue un lien important entre la biologie et la chimie. Les enzymes sont généralement des protéines (polypeptides) qui aident à contrôler la vitesse des réactions chimiques entre des composés biologiquement importants, en particulier ceux qui sont impliqués dans le métabolisme cellulaire. Différentes classes d'enzymes remplissent diverses fonctions, comme indiqué dans le tableau\(\PageIndex{1}\).

    Hydrolyse de l'ATP. » » data-quail-id="131" data-mt-width="1016">

    Tableau\(\PageIndex{1}\) : Classes d'enzymes et leurs fonctions
    Classe Fonction
    oxydoréductases réactions d'oxydoréduction
    transférases transfert de groupes fonctionnels
    hydrolases réactions d'hydrolyse
    lyases élimination de groupes pour former des doubles liaisons
    isomérases isomérisation
    ligases formation de liaisons avec hydrolyse de l'ATP

    Les molécules enzymatiques possèdent un site actif, une partie de la molécule dont la forme lui permet de se lier à un substrat spécifique (une molécule réactive), formant un complexe enzyme-substrat en tant qu'intermédiaire de réaction. Il existe deux modèles qui tentent d'expliquer le fonctionnement de ce site actif. Le modèle le plus simpliste est appelé hypothèse verrouillable, qui suggère que les formes moléculaires du site actif et du substrat sont complémentaires et s'emboîtent comme une clé dans une serrure. L'hypothèse de l'ajustement induit, en revanche, suggère que la molécule enzymatique est flexible et change de forme pour s'adapter à une liaison avec le substrat. Cela ne signifie pas pour autant que le site actif d'une enzyme soit complètement malléable. Le modèle verrouillable et le modèle d'ajustement induit tiennent tous deux compte du fait que les enzymes ne peuvent se lier qu'à des substrats spécifiques, étant donné qu'en général, une enzyme donnée ne fait que catalyser une réaction particulière (Figure\(\PageIndex{7}\)).

    Figure\(\PageIndex{7}\) : (a) Selon le modèle verrouillable, la forme du site actif d'une enzyme correspond parfaitement au substrat. (b) Selon le modèle d'ajustement induit, le site actif est quelque peu flexible et peut changer de forme afin de se lier au substrat.
    Un diagramme de deux interactions possibles entre une enzyme et un substrat est présenté. Dans a, qui est étiqueté « Verrouillage et clé », deux diagrammes sont présentés. La première montre une forme de coin vert avec deux petites dépressions de taille similaire sur la face supérieure, mais la dépression de gauche a une forme incurvée et la dépression de droite a une forme pointue. Cette forme verte est étiquetée « Enzyme ». Juste au-dessus de cette forme se trouvent deux formes de lavande plus petites et irrégulières, chacune avec une projection depuis sa surface inférieure. La forme lavande sur la gauche a une projection incurvée qui correspond à la forme de la dépression sur la gauche dans la forme verte ci-dessous. Cette projection est ombrée en orange et comporte une flèche incurvée s'étendant de l'intérieur jusqu'à la dépression correspondante dans la forme verte ci-dessous. De même, la forme lavande sur la droite présente une projection à bout pointu qui correspond à la forme de la dépression sur la droite dans la forme verte ci-dessous. Cette projection est ombrée en orange et comporte une flèche incurvée s'étendant de l'intérieur jusqu'à la dépression correspondante dans la forme verte ci-dessous. Deux segments de ligne s'étendent à partir des dépressions dans la forme verte pour former un V inversé au-dessus des dépressions. Au-dessus et entre les formes de lavande se trouve l'étiquette « Le site actif a une forme appropriée ». L'étiquette « Substrats » se trouve tout en haut du diagramme avec des segments de ligne s'étendant jusqu'aux deux formes de lavande. À droite de ce schéma se trouve un deuxième diagramme montrant les formes de lavande positionnées les unes à côté des autres, parfaitement ajustées dans les dépressions de la forme verte, étiquetée « Enzyme ». Au-dessus de ce schéma se trouve l'étiquette « Substrat complexe formé ». En b, qui est étiqueté « Ajustement induit », deux diagrammes sont présentés. La première montre une forme cunéiforme verte avec deux petites dépressions sur la face supérieure de taille similaire mais de forme irrégulière. Cette forme verte est étiquetée « Enzyme ». Juste au-dessus de cette forme se trouvent deux petites formes irrégulières de lavande, chacune avec une projection depuis sa surface inférieure. La forme lavande sur la gauche présente une projection incurvée. Cette projection est ombrée en orange et comporte une flèche incurvée qui s'étend de celle-ci jusqu'à la dépression irrégulière située juste en dessous, dans la forme verte ci-dessous. De même, la forme lavande sur la droite présente une saillie avec une pointe pointue. Cette projection est ombrée en orange et comporte une flèche incurvée qui s'étend de celle-ci jusqu'à la dépression irrégulière située juste en dessous, dans la forme verte ci-dessous. Deux segments de ligne s'étendent à partir des dépressions dans la forme verte pour former un V inversé au-dessus des dépressions. Au-dessus et entre les formes de lavande se trouve l'étiquette « Le site actif change pour s'adapter ». L'étiquette « Substrats » se trouve tout en haut du diagramme avec des segments de ligne s'étendant jusqu'aux deux formes de lavande. À droite de ce schéma se trouve un deuxième diagramme montrant les formes violettes positionnées les unes à côté des autres, parfaitement ajustées dans les dépressions de la forme verte, étiquetée « Enzyme ». Au-dessus de ce schéma se trouve l'étiquette « Complexe de substrat formé ». Les projections des formes de lavande correspondent aux formes de dépression de la forme verte, ce qui permet un ajustement parfait.

    Résumé

    Les catalyseurs influent sur la vitesse d'une réaction chimique en modifiant son mécanisme afin de fournir une énergie d'activation plus faible. Les catalyseurs peuvent être homogènes (dans la même phase que les réactifs) ou hétérogènes (une phase différente de celle des réactifs).

    Notes

    1. « Le prix Nobel de chimie 1995 », Nobel Prize.org, consulté le 18 février 2015, Prix Nobel de chimie [www.nobelprize.org].

    Lexique

    catalyseur hétérogène
    un catalyseur présent dans une phase différente de celle des réactifs, fournissant une surface sur laquelle une réaction peut avoir lieu
    catalyseur homogène
    un catalyseur présent dans la même phase que les réactifs