La vitesse des réactions chimiques dépend d'un certain nombre de facteurs, notamment de la température ou de la concentration des réactifs. Il s’avère qu’un petit ajout de substance étrangère peut affecter la cinétique de la réaction et ainsi l’accélérer considérablement. Cette problématique fait l’objet d’une catalyse. Elle revêt aujourd’hui une grande importance, notamment dans l’industrie chimique. De nombreux processus technologiques à grande échelle seraient impossibles sans catalyseurs. De plus, les enzymes, qui catalysent les processus biochimiques, jouent un rôle clé dans les processus vitaux sur Terre.
La catalyse – qu’est-ce que c’est et comment est-elle classée ?
La catalyse est définie comme un phénomène d’augmentation de la vitesse d’une réaction chimique en utilisant une substance qui n’est ni un substrat ni un produit de cette transformation. Une telle substance s’appelle un catalyseur. Les types de base de catalyse sont les suivants :
- Catalyse homogène – dans ce type de catalyse, les substrats et le catalyseur sont dans le même état physique. Le plus souvent, il s’agit d’une phase liquide ou gazeuse. Dans ce cas, le catalyseur réagit avec l’un des substrats, formant un complexe intermédiaire instable, qui à son tour réagit avec l’autre réactif. En conséquence, des produits de réaction se forment et le catalyseur est récupéré. Il convient de noter que toutes les réactions ne se déroulent pas de cette façon. En fait, les processus en plusieurs étapes sont les plus courants. Un exemple de réaction homogène (ou monophasée) est l’oxydation de l’oxyde de soufre (IV) en oxyde de soufre (VI). Tous les composants, c’est-à-dire les substrats, le catalyseur et les produits, sont présents dans la phase gazeuse.
- Catalyse hétérogène – c’est le type de catalyse le plus couramment utilisé, par exemple dans les processus de l’industrie chimique . Ici, le catalyseur est dans un état physique de la matière différent de celui des autres réactifs. Il s’agit généralement d’un solide, ou ce qu’on appelle un « contact ». Les substrats s’adsorbent à sa surface. Ensuite, le catalyseur réagit avec eux. Les produits résultants se désorbent et quittent la surface de contact, laissant place aux substrats suivants. L’utilisation de ce type de catalyse permet de réaliser par exemple des réactions entre des substances gazeuses qui ne réagissent normalement pas entre elles. Etant donné que la catalyse hétérogène est très importante d’un point de vue industriel, l’un des principaux enjeux de la catalyse est le développement de catalyseurs constitués de différents matériaux et présentant des formes offrant la plus grande surface de contact possible.
- Catalyse enzymatique – les enzymes sont, outre les ferments, un groupe de protéines impliquées dans la biocatalyse des réactions de biosynthèse et de décomposition. Ces processus se déroulent dans les cellules des organismes vivants et dans les fluides corporels. Les enzymes, tout comme les catalyseurs « classiques », diminuent l’énergie d’activation d’une réaction biologique. À leur surface, ils possèdent ce qu’on appelle des centres actifs. De par leur forme et leur structure, ces centres ne sont compatibles qu’avec des substrats spécifiques. La sélectivité des enzymes comme catalyseurs est donc de 100 %. De plus, une telle catalyse est appelée modèle à clé et serrure. Après la formation du complexe enzyme-substrat, certaines liaisons sont relâchées et les produits se forment. L’enzyme est alors libérée et reprend sa forme originale.
L’autocatalyse est un phénomène intéressant. Cela se produit lorsque le produit résultant d’une réaction devient son catalyseur. Ainsi, avec le temps, la réaction se déroule de plus en plus vite. Un exemple de processus autocatalytique est la réaction de KMnO 4 avec du peroxyde d’hydrogène dans un environnement acide. Les ions formés (c’est-à-dire Mn 2+ ) agissent comme un catalyseur pour la réaction initiale.
Catalyseurs
Les catalyseurs sont des substances chimiques qui, lorsqu’elles sont introduites dans un système réactionnel, accélèrent la réaction chimique. Ce qui est important, c’est qu’ils ne subissent pas de transformations chimiques lors de la réaction, et qu’ils sont récupérés sous leur forme originale une fois la réaction terminée. Le catalyseur ajouté au système réactionnel forme une liaison transitoire instable avec le substrat. Cela permet de réduire l’énergie d’activation. Ce qui est important, c’est que le catalyseur n’est pas inclus dans l’équation stœchiométrique du processus global. De plus, même avec un catalyseur, il n’est pas possible d’initier une réaction qui n’est pas réalisable thermodynamiquement. Pour qu’une réaction chimique donnée se produise dans certaines conditions, il est nécessaire de fournir une énergie supérieure à l’énergie d’activation requise. Dans ce cas, le rôle du catalyseur est de réduire la quantité d’énergie nécessaire, afin que la réaction puisse démarrer plus rapidement. Il convient de rappeler que le catalyseur n’affecte pas le changement de l’état d’équilibre. Cela ne fait qu’accélérer le moment de sa réalisation. Plus il le fait rapidement, plus il est considéré comme actif. Ainsi, l’activité du catalyseur est définie comme la différence entre la vitesse à laquelle la réaction atteint l’équilibre en présence et en l’absence du catalyseur. Un autre critère caractérisant les catalyseurs est leur sélectivité. Il est défini comme le rapport entre la quantité de produit formé et la quantité totale de tous les produits formés au cours de la réaction. Les substances utilisées comme catalyseurs dans les processus industriels atteignent généralement une sélectivité de 70 à 90 %. À cet égard, les enzymes sont uniques. Le niveau de sélectivité qu’ils atteignent dans les réactions biochimiques atteint jusqu’à 100 %. 
L’importance de la catalyse dans les procédés industriels
Actuellement, la catalyse joue un rôle clé dans de nombreux procédés, notamment dans l’industrie chimique. Les catalyseurs contribuent à une production plus efficace de produits chimiques, qui sont à leur tour utilisés, par exemple, dans la production d’engrais. Trois exemples de procédés de l’industrie chimique reposant sur la catalyse sont présentés ci-dessous. Ces catalyseurs sont parmi les plus couramment utilisés. Il ne faut toutefois pas oublier que des solutions nouvelles ou modifiées sont constamment introduites sur le marché et parviennent à remplacer progressivement les substances précédemment utilisées.
Production d’acide nitrique (V)
La production d’ acide nitrique (V) comprend plusieurs étapes successives. Premièrement, la combustion de l’ammoniac dans l’oxygène en oxyde nitrique (II) et en eau. Pour augmenter l’efficacité du processus, celui-ci est réalisé à l’aide d’un catalyseur, qui est un alliage de platine et de rhodium (93 %Pt et 7 %Rh). Cet alliage est utilisé pour produire des fils à partir desquels sont tissés des treillis spéciaux. Deux ou trois mailles sont placées dans le réacteur, perpendiculairement au flux des gaz réactifs. Cependant, cette méthode présente certaines limites. Les gaz en mouvement provoquent un frottement contre les mailles, entraînant leur dégradation et leur perte de platine. Ces pertes sont particulièrement visibles dans la section d’oxydation, où la pression et la température sont élevées. De plus, les mailles en platine sont relativement sensibles à l’empoisonnement provoqué par une purification insuffisante des gaz réactifs des substances interférentes, par exemple le soufre. Lors de l’oxydation catalytique de l’ammoniac, du protoxyde d’azote se forme comme sous-produit. Actuellement, des solutions réduisant ses émissions sont disponibles sur le marché. À cette fin, un catalyseur d’oxyde à base d’aluminates est utilisé à proximité des mailles en alliage Pt-Rh pour la décomposition à haute température du protoxyde d’azote en gaz nitreux. Une caractéristique de ce catalyseur est sa grande sélectivité de décomposition vis-à-vis du N 2 O.
Oxydation du SO 2 en SO 3
L’une des étapes les plus importantes de la production industrielle d’ acide sulfurique (VI) est l’oxydation de l’oxyde de soufre (IV) en oxyde de soufre (VI). Ce processus est effectué en utilisant la méthode de contact. De nombreuses substances peuvent agir comme catalyseur dans cette réaction d’oxydation. Ils accélèrent les réactions à des degrés divers. Il a été prouvé expérimentalement que l’efficacité la plus élevée est obtenue en utilisant des catalyseurs au vanadium. Ils sont constitués d’oxyde de vanadium (V), déposé sur un support (généralement de la silice). De plus, il contient également des activateurs (oxyde de sodium ou oxyde de potassium) et d’autres additifs qui affectent, entre autres, sa résistance à haute température. La quantité d’oxyde de vanadium (V) dans le catalyseur est comprise entre 5 et 7 %en poids. Il atteint sa plus grande efficacité à des températures relativement élevées. A sa surface, le catalyseur au vanadium possède des sites actifs où les molécules O 2 et SO 2 sont adsorbées. Là ont lieu leurs réactions, suivies de la désorption des produits résultants. Une pureté insuffisante des substrats introduits dans le réacteur peut entraîner un empoisonnement du catalyseur, c’est-à-dire la désactivation de ses sites actifs. Dans ce cas, les poisons comprennent le chlore, le fluor et l’arsenic.
Production d’ammoniac
Un autre processus catalytique dans l’industrie chimique est la synthèse de l’ammoniac . Le processus lui-même est si lent qu’il est nécessaire de faire appel à des contacts appropriés. Dans ce cas, le catalyseur le plus avantageux est le fer activé avec une petite quantité d’alumine et d’oxyde de potassium. Il est formé en brûlant du fer en présence d’oxygène puis en faisant fondre le Fe 3 O 4 résultant avec Al 2 O 3 et K 2 O. L’alliage (le plus souvent) sous forme de granulés est un catalyseur fini. Comme dans d’autres procédés, lors du processus de synthèse de l’ammoniac, le catalyseur au fer provoque l’absorption d’hydrogène et d’azote au niveau de ses sites actifs et la désorption des produits résultants. Les composés responsables de la dégradation du contact du fer sont principalement le soufre, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau.
