Chim. N° 12

La Catalyse.

Cours.

 

   

 

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Programme 2012 :

Temps et évolution chimique : Cinétique et catalyse.

Programme 2012 : Physique et Chimie

 

I - Le phénomène de catalyse.

1)- Mise en évidence expérimentale.

2)- Définitions.

II - Caractères généraux de la catalyse.

1)- La catalyse homogène.

2)- La catalyse hétérogène.

3)- La catalyse enzymatique.

4)- Sélectivité d’un catalyseur.

III - Applications.

1)- QCM :

2)- Exercices :

 

Exercices :

exercice 14 page 302

Exercice 18 page 304

Exercice 21 page 305

Exercice 23 page 306

Exercice 29 page 309.

Pour aller plus loin : 

Mots clés :

 Catalyse ; catalyse homogène ; catalyse hétérogène  ;

la catalyse enzymatique ; sélectivité d'un catalyseur ; ...

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I- Le phénomène de catalyse.

1)- Mise en évidence expérimentale.

a)- Expérience 1 : réaction entre les ions iodure et les ions peroxodisulfate :

Bécher : on verse,

-  50 mL d’une solution de peroxodisulfate de potassium C1 = 0,050 mol / L,

-  50 mL d’une solution d’iodure de potassium C2 = 0,50 mol / L.

Bécher B : on verse,

-  50 mL d’une solution de peroxodisulfate de potassium C1 = 0,050 mol / L,

-  50 mL d’une solution d’iodure de potassium C2 = 0,50 mol / L, et

10 mL d’une solution de sel de Mohr (cette solution contient des ions fer II)

b)- Observations :

-  On observe le jaunissement ou le brunissement de la solution dans les deux béchers.

-  Cela est dû à la formation de diiode qui en présence d’ions iodure donne des ions I3  de couleur jaune-brun.

-  Dans le bécher B, on constate que la coloration évolue plus rapidement que dans le bécher A.

-  On peut affirmer que la réaction est plus rapide dans le bécher B que dans le bécher A.

c)- Conclusion :

-  On dit que les ions fer II ont catalysé la réaction entre les ions peroxodisulfate et les ions iodure.

-  Ils ont accéléré la réaction : l’ion fer II est un catalyseur de la réaction.

-  Remarque : on peut aussi catalyser cette réaction avec les ions fer III.

2)- Définitions.

-  Le catalyseur :

-  Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction sans entrer dans le bilan de la réaction et sans modifier l’état final du système.

-  Remarques :

-  Lorsqu’une réaction est limitée, le catalyseur permet d’arriver plus vite à l’état d’équilibre mais il ne déplace pas l’équilibre.

-  Un catalyseur ne peut pas rendre possible une réaction non spontanée.

-  Catalyser une réaction, c’est augmenter sa vitesse par ajout d’un catalyseur.

-  Un catalyseur modifie le mécanisme réactionnel et la nature des étapes permettant de passer des réactifs aux produits.

 

II- Caractères généraux de la catalyse.

1)- La catalyse homogène.

a)- Définition :

-  La catalyse est dite homogène lorsque le catalyseur et le mélange réactionnel constituent une seule phase (forment un mélange homogène).

-  C’est le cas des gaz et des liquides miscibles.

b)- Expérience : Exemple : la dismutation de l’eau oxygénée est catalysée par les ions fer II ou les ions fer III.

Eau oxygénée à 20  volumes et solution aqueuse de chlorure de fer III.

-  le peroxyde d’hydrogène est impliqué dans deux couples oxydant / réducteur :

-  Couple 1 : H2O2 (aq) / H2O (ℓ)

-  Couple 2 : O2 (g) / H2O2 (aq)

-  On peut envisager une réaction entre H2O2 (aq) , oxydant du couple 1 et H2O2 (aq) , réducteur du couple 2 :

-  Cette réaction est appelée réaction de dismutation.

Dismutation

Réaction d'oxydoréduction au cours de laquelle

une espèce chimique joue à la fois le rôle d'oxydant

et de réducteur (ici l'eau oxygénée H2 O2 (aq))

H2O2 (aq) / H2O ()  et le couple 2 : O2 (aq) / H2O2 (aq)

-  La transformation associée est spontanée mais très lente à la température ordinaire.

 2  H2O2 (aq)  =    O2 (g)    +  2   H2O (ℓ)

-  Pour accélérer cette réaction, on peut utiliser un catalyseur les ions fer II ou fer III. 

-  On fait intervenir le couple oxydant réducteur Fe 3+ (aq) / Fe 2+ (aq)

c)- Interprétation :

-  Ici, on remplace une étape lente par deux étapes rapides.

-  Étape 1 : réaction entre l’eau oxygénée est les ions fer III. Réaction rapide :

 

H2O2 (aq)

+

 

 

=

O2 (g)

+

2 H + (aq)

2 e -

2 (

Fe 3+ (aq)

+

e -

 

=

Fe 2+ (aq)

)

 

 

 


H2O2 (aq)

+

2 Fe 3+ (aq)

=

2 Fe 2+ (aq)

+

O2 (g)

+

2 H + (aq)

(1)

-  étape 2 : réaction entre l’eau oxygénée et les ions fer II.

 

H2O2 (aq)

+

2 H + (aq)

+  2 e -

=

2   H2O ()

 

 

 

 

 

 

2 (

Fe 2+ (aq)

 

=

Fe 3+ (aq)

+

e -

)

 


H2O2 (aq)

+

2 Fe 2+ (aq)

 +  2 H + (aq)

=

2 Fe 3+ (aq)

+

2   H2O (ℓ)

(2)

 

-  Bilan global de la réaction : Il faut combiner (1) et (2).

H2O2 (aq)

+

2 Fe 3+ (aq)

=

2 Fe 2+ (aq)

+

O2 (g)

+

2 H + (aq)

(1)

H2O2 (aq)

+

2 Fe 2+ (aq)

 +  2 H + (aq)

=

2 Fe 3+ (aq)

+

2   H2O (ℓ)

(2)


H2O2 (aq)  +   H2O2 (aq)

=

O2 (g)

+

2   H2O (ℓ)

 

d)- Conclusions :

-  En catalyse homogène, le catalyseur participe à la transformation chimique.

-  Transformé en une autre espèce chimique, il est ensuite régénéré en fin de transformation.

-  Le catalyseur n’entre pas dans l’écriture de l’équation.

2)- La catalyse hétérogène.

a)- Définition.

-  La catalyse est dite hétérogène lorsque le catalyseur et le milieu réactionnel se trouvent dans des phases différentes.

b)- Expériences :

-  Exemple : expérience de la lampe sans flamme (on utilise un fil de cuivre chauffé comme catalyseur)

 

 

 

Cu

 

 

 

C2 H5OH

+

 O2

=

2 CH3CHO

+

2 H2O

-  exemple : dismutation de l’eau oxygénée catalysée par un fil de platine.

 

 

 

Pt

 

 

 

H2O2

=

2 H2O

+

O 2

 

c)- Remarque : 

-  Lorsque le catalyseur est solide, la réaction se produit à la surface du catalyseur.

-  Elle est d’autant plus rapide que la surface du catalyseur est importante.

3)- La catalyse enzymatique.

-  Les enzymes sont des catalyseurs biologiques qui permettent aux transformations chimiques nécessaires à la vie de s’effectuer à vitesse élevée.

-  Exemple : l’hydrolyse l’amidon au laboratoire : il faut travailler à température élevée et en milieu fortement acide.

 

 

 

H + (aq)

 

 

 

2 (C6H10O5) n

+

 n H2O

=

n C6 H12O6

Amidon

 100 ° C

Glucose

 

-  L’hydrolyse enzymatique de l’amidon utilise l’amylase comme catalyseur.

 

 

 

Amylase

 

 

 

2 (C 6 H 10O 5) n

+

 n H 2 O

=

n C 12 H 22O 11

Amidon

 37 ° C

Maltose

 

-  L’amylase présente dans la salive permet l’hydrolyse de l’amidon en maltose.

-  Une enzyme ne catalyse en général qu’une seule réaction biochimique.

Il n’existe pas de produit de synthèse permettant de reproduire industriellement les réactions qui se déroulent dans les cellules dans les mêmes conditions de température et de pression.

4)- Sélectivité d’un catalyseur.

-  Un catalyseur est sélectif si, à partir d’un système initial susceptible d’évoluer selon plusieurs réactions spontanées, il accélère préférentiellement l’une d’elles.

-  Exemple : réactions avec l’éthanol :

-  Déshydratation de l’éthanol :

 

 

 

Al2O3

 

 

 

CH3CH2 OH

=

CH2 = CH2

 + 

H 2 O

Ethanol

 400 ° C

Ethène

 

-  Déshydrogénation de l’éthanol :

 

 

 

Cu

 

 

 

CH3CH2 — OH

=

CH3 — 

 C 

H

  +  

H2

 

 280 ° C

| |

 

O

Ethanol

 

Ethanal

-  Un catalyseur est spécifique à une réaction chimique.

-  Un catalyseur permet d’éviter certaines réactions parasites.

Il permet de travailler dans des conditions de température et de pressions plus faibles.

Il peut permettre de diminuer les coûts de production.

 

III- Applications :

1) - QCM :

2)- Exercices :

Exercices :

exercice 14 page 302

Exercice 18 page 304

Exercice 21 page 305

Exercice 23 page 306

Exercice 29 page 309.