Deux caractéristiques de la catalyse

• la spécialisation réactionnelle (à gauche) : les réactifs A et B donnent le produit P grâce au catalyseur C qui peut être réutilisé ;

• l’accélération de la cinétique réactionnelle : le chemin qui passe par le tunnel représente un chemin réactionnel plus rapide et moins consommateur d’énergie que le chemin associé à une réaction sans catalyse.

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À la lumière de l'histoire

La chimie accélérée

Pour fabriquer du savon, les Gaulois ajoutaient des cendres de bois à un mélange de graisse animale et d’eau porté à ébullition. Au XVIIIe siècle, on produisait de l’acide sulfurique en brûlant du salpêtre avec du soufre. Durant des siècles, de nombreuses autres réactions chimiques furent exploitées sans qu’on connaisse ou qu’on explique le rôle joué par des ingrédients tels que les cendres ou le salpêtre. Au coeur du XIXe siècle, le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius comprend que maintes réactions relèvent d’un même phénomène, qu’il nomme catalyse (du grec ancien katalusis : dissolution, décomposition) et qu’il décrit comme la capacité d’une substance à « réveiller les affinités latentes » des réactifs. On découvre peu après que les enzymes agissent souvent, au sein des cellules des êtres vivants, par un effet similaire : la catalyse enzymatique.

La physique au service de la chimie

Titulaire en 1887 de la première chaire de chimie physique à Leipzig, l’Allemand Wilhelm Ostwald, inspiré par Berzelius, définit la catalyse comme l’action accélératrice d’une substance sur une transformation chimique.

Comme ses contemporains, Ostwald travaille à caractériser les réactions chimiques. à la fois chimiste et physicien, il aborde cette problématique en s’appuyant sur la notion d’énergie. Il s’intéresse ainsi à la cinétique (vitesse) d’une réaction et à son énergie d’activation, énergie qu’il faut fournir pour initier la réaction.

Il comprend que la catalyse accélère une réaction « directe » en la remplaçant par une autre réaction dont l’énergie d’activation est moindre : les liaisons chimiques des réactifs, rompues ou formées au contact du catalyseur, étant différentes de celles de la réaction directe, le temps, la pression ou la température nécessaires à la formation du produit sont réduits ; de plus, le catalyseur n’étant pas consommé lors de la réaction, il peut être réutilisé pour d’autres transformations. Ostwald montre également que l’emploi d’un catalyseur particulier permet d’obtenir un produit de façon préférentielle lors de réactions donnant habituellement plusieurs produits différents.

L’industrie finance la recherche

En 1900, Ostwald met au point un procédé de préparation d’acide nitrique et de nitrates (utilisés pour la fabrication d’engrais ou d’explosifs) par oxydation de l’ammoniac, ce dernier pouvant être synthétisé à partir d’azote atmosphérique grâce aux travaux de Fritz Haber et Carl Bosch. Déclinés à l’échelle industrielle pour le compte de l’entreprise allemande BASF, ces procédés sont d’abord utilisés pour la fabrication d’explosifs lors de la Première Guerre mondiale avant de servir à la fabrication d’immenses quantités d’engrais répondant aux besoins mondiaux croissants.

Grâce à la catalyse, les industriels gagnent du temps et dépensent moins d’énergie. Cependant, les recherches sur la catalyse sont essentiellement empiriques, et BASF est contraint de tester plus de 2 000 catalyseurs au cours de 6 000 expériences pour, finalement, n’en retenir qu’un. Investir dans la recherche pour mieux comprendre les phénomènes catalytiques et éviter ces tests coûteux devient par la suite un enjeu majeur.

Il faut attendre les années 60 pour que l’exploration et l’exploitation de ces phénomènes connaissent de grandes avancées. Le développement des appareils de mesures physiques et de techniques d’investigation (calorimétrie, spectroscopie, chromatographie, cristallographie par rayons X, etc.) permet alors de suivre et d’analyser finement les étapes intermédiaires des réactions.

Aujourd’hui, outre les procédés de fabrication, la catalyse intéresse particulièrement la lutte contre les pollutions. En 2007, un autre chimiste allemand, Gerhardt Ertl, a reçu le prix Nobel pour ses travaux sur la chimie des surfaces. Celle-ci concerne notamment l’amélioration des pots catalytiques qui, par simple contact, diminuent la toxicité des gaz d’échappement en transformant, par exemple, le monoxyde de carbone (CO) et des oxydes d’azote (NOx) en dioxyde de carbone CO2 et en diazote N2.

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