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CONTRÔLE DE LA TRANSFORMATION PAR LA CATALYSE

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1. Catalyse et catalyseur 1.1. Définition

Un catalyseur est une espèce qui augmente la vitesse de réaction sans modifier l’état d’équilibre du système. Un catalyseur ne modifie pas la constante d’équilibre car il accélère à la fois les réactions en sens directe et inverse. Il n’apparait pas dans l’équation de la réaction. Il peut être mentionné au dessus de la flèche ou du égal dans l’équation. La catalyse est l’action d’un catalyseur sur une réaction chimique. 1.2. Mise en évidence expérimentale

L’eau oxygénée n’est pas une espèce chimique stable, mais métastable (on ne voit pas sa transformation car elle est très lente, mais elle se produit effectivement).  Dismutation de l’eau oxygénée : C’est une réaction d’oxydoréduction spontanée entre l’eau oxygénée, oxydant du couple H 2 O 2(aq) / H 2 O et réducteur du couple O 2(g) / H 2 O 2(aq) . + H 2 O 2(aq) + 2 H (aq) + 2 e− H 2O 2(aq) 2 H 2 O 2(aq)

= 2 H 2O + = O2(g) + 2 H (aq) + 2 e−  → O 2(g) + 2 H 2 O

Cette transformation est très lente dans les conditions habituelles.  En présence de platine : 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. Observation : Il y a une effervescence est plus importante au contact du disque qu’au contact du fil. Le gaz ravive la buchette incandescente, c’est donc du dioxygène. Interprétation : Le platine accélère la réaction de dismutation de façon d’autant plus importante qu’il est sous forme divisée.  En présence d’ions fer (III) : 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. 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 3+ On observe également un changement de couleur de la solution : la teinte jaune orangée, due aux Fe(aq) fait place à une teinte brune, puis la couleur jaune orangée initiale réapparait quand le dégagement gazeux cesse. Interprétation : 3+ L’addition d’une quantité d’ions Fe(aq) à l’eau oxygénée accélère sa dismutation d’autant plus rapidement 3+ que la concentration des ions Fe(aq) est plus élevée. 3+ Le changement de couleur de la solution indique que les ions Fe(aq) participent à la réaction et sont régénérés à la fin de celle-ci.  En présence d’ions fer (II) :

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On reprend l’expérience précédente mais en ajoutant quelques cristaux de sel de Mohr dans un tube contenant de l’eau oxygénée. Observations : Il se produit un abondant dégagement gazeux. Interprétation : 2+ La dismutation de l’eau oxygénée est accélérée par les ions Fe(aq) .  En présence de catalase : 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. Observations : Il se produit un dégagement gazeux dans les deux cas. Interprétation : 3+ La catalase est une enzyme contenant l’ion Fe(aq) ; 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.  En présence d’ions tartrate : 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. On devrait observer la réaction : Visiblement, rien ne se passe (réaction très lente). Rajouter 2g de chlorure de cobalt II (rose). qui donne une coloration rose à la solution. Observations : Il se produit une effervescence importante de dioxyde de carbone. La solution passe du rose au vert. Le dégagement cesse au bout de quelques minutes et la solution redevient rose. 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 (II) vert. La réapparition de la couleur rose montre que les ions cobalt (II) sont régénérés. Équation de la réaction : + H 2 O 2(aq) + 2 H (aq) + 2 e− = 2 H 2O (×5) 2− + − C4 H 4 O6(aq) + 2 H 2 O = 4 CO 2(g) + 8 H (aq) + 10 e 2− + C 4 H 4 O6(aq) + 5 H 2 O 2(aq) + 2 H (aq) = 4 CO 2(g) + 8 H 2 O Conclusion : Le catalyseur participe à la réaction : il est d’abord consommé puis il est régénéré.

2. Les différents types de catalyse 2.1. Catalyse homogène

La catalyse est homogène si les réactifs et le catalyseur ne forment qu’une seule phase fluide. Exemple : eau oxygénée et les ions fer. L’efficacité du catalyseur est d’autant plus importante que sa concentration est grande. 2.2. Catalyse hétérogène

La catalyse est hétérogène si les réactifs et le catalyseur forment des phases différentes. Exemple : eau oxygénée et platine. L’efficacité du catalyseur est d’autant plus importante que sa surface est grande. 2.3. Catalyse enzymatique

La catalyse est enzymatique lorsque le catalyseur est une enzyme. Exemple : eau oxygénée et navet ou sang.

3. Caractéristique de la catalyse P.PECORELLA

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3.1. Propriétés de la catalyse

Le catalyseur n’agit pas a distance mais en se combinant chimiquement avec au moins l’un des réactifs. Le catalyseur permet de remplacer une ou plusieurs étapes de la transformation chimique spontanée par d’autres étapes auxquelles il prend part et qui sont plus rapides. 3.2. 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. Cu ( s )

CH3CH 2 OH (g) = CH 3CHO(g) + H 2(g) Žthanol

CH3CH 2 OH (g )

Žthanal

Žthanol

Al2 O3(s )

= CH 2 CH 2(g) + H 2 O(g) . Žthne

4. 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 essayent de lutter contre la pollution atmosphérique, les fours catalytiques auto-nettoyants permettent la destruction des graisses…

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