Catalyse

Dans la chimie et la biologie , la catalyse est une manière d'accélérer la vitesse d'une réaction chimique au moyen de mise en contact des réactifs avec une substance appelée un catalyseur, qui lui-même ne est pas consommé par la réaction globale. Plus généralement, on peut parfois appeler tout ce qui accélère un processus, un «catalyseur» (Du grec καταλύειν, ce qui signifie d'annuler ou de dénouer ou de ramasser).

Un catalyseur fournit une voie alternative à produits, la voie catalytique étant soumis à faible énergie d'activation que dans la réaction non catalysée. Une énergie d'activation réduit augmente la vitesse de réaction . Les catalyseurs généralement changent au cours d'une réaction, mais sont régénérés.

Un bon exemple d'une utilisation de catalyseur est dans la dismutation du peroxyde d'hydrogène pour donner de l'eau et de l'oxygène :

2 H ₂ O ₂ → 2 H ₂ O + O ₂

Cette réaction est lente, comme indiqué par le fait que l'on peut acheter des solutions de peroxyde d'hydrogène. Lors de l'addition de du dioxyde de manganèse au peroxyde d'hydrogène, la réaction se produit rapidement que signalé par effervescence d'oxygène. Dans les manifestations, l'oxygène dégagé est détectable par son effet sur une bûchette incandescente. Le dioxyde de manganèse peut être récupéré et réutilisé indéfiniment, il est donc un catalyseur - il ne est pas consommé par la réaction. (Le H ₂ O ₂ vendu comme un agent de stérilisation dans les pharmacies est trop dilué pour que cela fonctionne de façon spectaculaire.)

Un promoteur modifie chimiquement un catalyseur, mais ne est pas en soi un catalyseur. Une inhibiteur réduit l'efficacité du (ou ralentit l'effet d ') un catalyseur.

Histoire

Les processus de phrase catalysée a été inventé par Jöns Jakob Berzelius en 1836 pour décrire les réactions qui sont accélérés par des substances qui restent inchangés après la réaction. Autres chimistes précoces impliqués dans la catalyse étaient Alexander Mitscherlich en 1831, qui fait référence à contacter processus et Johann Wolfgang Döbereiner qui a parlé de l'action de contact et dont plus léger basé sur l'hydrogène et un platine éponge est devenu un énorme succès commercial dans les années 1820. Humphrey Davy a découvert l'utilisation du platine dans la catalyse. Dans les années 1880, Wilhelm Ostwald au Université de Leipzig a commencé une série d'enquêtes systématiques dans des réactions qui ont été catalysées par la présence d' acides et bases, et a trouvé à la fois que les réactions chimiques se produisent à des taux finies, et que ces taux peut être utilisé pour déterminer les forces d'acides et de bases. Pour ce travail, Ostwald a reçu le 1909 Prix Nobel de chimie .

Mécanisme typique

Les catalyseurs réagissent généralement avec un ou plusieurs réactifs pour former un intermédiaire qui donnent ensuite le produit de réaction final, dans le procédé de régénération du catalyseur. Ce qui suit est un schéma réactionnel typique, où C représente le catalyseur, a et b sont réactifs, et D est le produit de la réaction de A et B:

A + C → AC (1)

B + AC → ABC (2)

ABC → CD (3)

CD → C + D (4)

Bien que le catalyseur (C) est consommée par une réaction, il est ensuite produit par réaction 4, de sorte que pour la réaction globale:

A + B → D

Cycles catalytiques

Un cycle catalytique ou catalytique mécanisme est un mécanisme de réaction qui implique un catalyseur. Cycles catalytiques sont au cœur de toute discussion de la catalyse, que ce soit dans la biochimie , chimie organométallique, ou la chimie du solide.

Souvent, un catalyseur dit sacrificiel fait également partie du système de réaction dans le but de régénérer le catalyseur vrai dans chaque cycle. Comme son nom l'indique le catalyseur sacrificiel ne est pas régénéré et est plutôt consommé de façon irréversible. Ce composé sacrificielle est également connu comme un catalyseur stoechiométrique lorsqu'il est ajouté en des quantités stoechiométriques par rapport au réactif principal. Habituellement, le véritable catalyseur est une molécule complexe et coûteux et ajouté en quantité aussi faible que possible. Le catalyseur stoechiométrique d'autre part devrait être pas cher et abondant.

Catalyseurs et énergétique de réaction

Générique diagramme d'énergie potentielle montrant l'effet d'un catalyseur dans une réaction chimique exothermique hypothétique. La présence du catalyseur se ouvre une voie de réaction différente (en rouge) avec une énergie d'activation plus faible. Le résultat final et de la thermodynamique globale sont les mêmes.

Catalyseurs travaillent en fournissant un (alternative) mécanisme impliquant un état de transition différente et inférieure énergie d'activation . L'effet de ceci est que les collisions moléculaires ont plus l'énergie nécessaire pour atteindre l'état de transition. Par conséquent, les catalyseurs peuvent effectuer des réactions qui, bien que thermodynamiquement possible, ne serait pas fonctionner sans la présence d'un catalyseur, ou effectuer eux beaucoup plus rapide, plus précise, ou à des températures plus basses. Ceci peut être observé sur un Distribution de Boltzmann et énergie profil diagramme. Cela signifie que les catalyseurs de réduire la quantité d'énergie nécessaire pour démarrer une réaction chimique.

Catalyseurs ne peuvent pas faire des réactions défavorables énergiquement possible - ils ne ont aucun effet sur le équilibre chimique d'une réaction parce que le taux de fois vers l'avant et la réaction inverse sont également touchés (voir aussi la thermodynamique ). La variation d'énergie libre de réaction net est le même si on utilise un catalyseur ou pas; le catalyseur est tout simplement plus facile à activer.

Le SI unité dérivée pour mesurer l'activité catalytique d'un catalyseur est la katal, qui est moles par seconde. Le degré d'activité d'un catalyseur peut également être décrit par le remettre numéro (ou TON) et l'efficacité catalytique par le turn over fréquence (TOF). L'équivalent biochimique est la unité enzyme.

Pour plus d'informations sur l'efficacité de la catalyse enzymatique voir le Section Enzyme # Kinetics.

Autocatalyse

En autocatalyse, une réaction produit des catalyseurs.

Les types de catalyseurs

Les catalyseurs peuvent être soit ou hétérogène homogène. Biocatalyseurs sont souvent considérés comme un groupe distinct.

Catalyseurs hétérogènes sont présents dans différentes phases de la réactifs (par exemple, un solide catalyseur dans un liquide de mélange réactionnel ), tandis que des catalyseurs homogènes sont dans la même phase (par exemple, un catalyseur dissous dans un mélange réactionnel liquide).

Catalyseurs hétérogènes

Un modèle simple pour catalyse hétérogène comprend la fourniture d'un catalyseur surface sur laquelle les réactifs (ou substrats) deviennent temporairement adsorbées. Obligations dans le substrat se affaiblissent suffisamment pour que de nouveaux liens à créer. Les liens entre les produits et le catalyseur sont plus faibles, de sorte que les produits sont libérés. Différents mécanismes possibles pour réactions sur les surfaces sont connus, selon la façon dont l'adsorption a lieu ( Langmuir-Hinshelwood et Eley-Rideal).

Par exemple, dans le Procédé Haber pour la fabrication de l'ammoniac , finement divisées fer agit comme un catalyseur hétérogène. Sites actifs sur le métal permettent liaison faible partielle des réactifs gaz , qui sont adsorbé sur la surface métallique. En conséquence, la liaison dans la molécule d'un réactif est affaiblie et les molécules de réactif sont maintenus à proximité les unes des autres. De cette manière, la particulièrement forte triple liaison dans de l'azote est affaiblie et les molécules d'hydrogène et d'azote est présentée plus rapprochées que cela serait le cas dans la phase gazeuse, de sorte que la vitesse de réaction augmente.

D'autres catalyseurs hétérogènes comprennent vanadium (V) dans l'oxyde procédé de contact, le nickel dans la fabrication de margarine, l'alumine et la silice dans le de craquage des alcanes et platine , rhodium et palladium dans convertisseurs catalytiques. Silicates mésoporeux ont trouvé une utilité dans la catalyse hétérogène de réaction parce que leur grande surface accessible permet un chargement de catalyseur élevée.

Dans les moteurs de voiture, incomplète combustion de la combustible permet d'obtenir du monoxyde de carbone , qui est toxique. L'étincelle électrique et des températures élevées permettent également de l'oxygène et de l'azote à réagir et la forme le monoxyde d'azote et le dioxyde d'azote, qui sont responsables de photochimique smog et les pluies acides . Les convertisseurs catalytiques réduisent ces émissions par adsorption de CO et NO catalytique sur la surface, où les gaz sont soumis à un . réaction redox du dioxyde de carbone et d'azote sont désorbés de la surface et émis sous forme de gaz relativement inoffensifs:

2CO + 2NO → 2CO ₂ + N ₂

Beaucoup de catalyseurs utilisés dans les raffineries et dans les applications pétrochimiques sont régénérés et réutilisés plusieurs fois pour réduire les coûts et de l'énergie et de réduire l'impact environnemental du recyclage ou l'élimination des catalyseurs usés.

Les catalyseurs homogènes

Les catalyseurs homogènes sont dans la même phase que les réactifs.

Dans la catalyse homogène, le catalyseur est une molécule qui facilite la réaction. Le catalyseur initie une réaction avec un ou plusieurs réactifs pour former des intermédiaires (s) et, dans certains cas, un ou plusieurs produits. Les étapes ultérieures conduisent à la formation de produits restants et à la régénération du catalyseur.

Des exemples de catalyseurs homogènes sont les suivantes:

1) L'ion H ⁺ (aq) qui agit comme un catalyseur dans estérification, ainsi que dans la réaction inverse - hydrolyse d'esters tels que l'acétate de méthyle est catalysée par H ⁺

2) Chlore radicaux libres dans la décomposition de l'ozone . Ces radicaux sont formés par l'action des rayons ultraviolets sur de rayonnement chlorofluorocarbures (CFC). Ils réagissent avec l'ozone pour former des molécules d'oxygène et régénérer les radicaux de catalyseur. Ce processus détruit la couche mince de ozone stratosphérique.

^· Cl + O ₃ → ClO ^· + O ₂

ClO + O ^{· · ·} → Cl + O ₂

3) Les oxydes d'azote dans le oxydation de le dioxyde de soufre à trioxyde de soufre par dans le dioxygène processus de chambre.

Biocatalyseurs

Dans la nature les enzymes sont des catalyseurs dans métabolisme. En biochimie catalyse est également observée avec abzymes et des ribozymes, désoxyribozymes ont également été créées dans le laboratoire.

Biocatalyseurs peuvent être considérés comme un mélange d'un catalyseur homogène et hétérogène. Ce est parce que l'enzyme est en solution elle-même, mais la réaction a lieu à la surface de l'enzyme. Plusieurs facteurs influent sur l'activité des enzymes. Les plus importants sont:

• Température
• pH
• La concentration d'enzyme
• concentration du substrat

Électrocatalyseurs

Dans le contexte de électrochimie, en particulier dans carburant ingénierie cellulaire, divers catalyseurs riches en métaux sont utilisés pour promouvoir l'efficacité d'un moitié réaction qui se produit à l'intérieur de la pile à combustible. Un type courant de électrocatalyseur de pile à combustible est basée sur minuscule nanoparticules de platine qui ornent légèrement plus grandes carbone particules. Lorsque ce type d'électrocatalyseur de platine est en contact avec l'un des électrodes dans une pile à combustible, il augmente le débit de la redox demi-réaction dans laquelle l'oxygène gazeux est réduit à l'eau (ou de l'hydroxyde ou du peroxyde d'hydrogène ).

Importance

La catalyse est d'une importance primordiale dans l'industrie chimique. La production de la plupart des produits chimiques industriels importants implique catalyse. Deux procédés commerciaux notables sont la Procédé Haber pour l'ammoniac synthèse et la Synthèse de Fischer-Tropsch. La recherche sur la catalyse est un domaine majeur en sciences appliquées, et implique de nombreux domaines de la chimie, notamment dans chimie organométallique et la physique. La catalyse est important dans de nombreux aspects de la science de l'environnement , de la convertisseur catalytique dans les automobiles aux causes présumées du trou d'ozone . Catalytique plutôt que réactions stoechiométriques sont préférés dans respectueux de l'environnement chimie verte en raison de la quantité réduite de déchets générés.

Parmi les exemples notables

On estime que 90% de tous les produits chimiques produits dans le commerce implique des catalyseurs à un certain stade dans le processus de leur fabrication.

Le dioxyde de manganèse est utilisé en laboratoire pour préparer de l'oxygène par décomposition de peroxyde d'hydrogène à l'oxygène et l'eau .

Applications bien connues de catalyseurs synthétiques sont:

• Les convertisseurs catalytiques à base de platine et manganèse se décomposent certains des sous-produits plus nocifs des gaz d'échappement automobile. Les catalyseurs utilisés sont des micro-conçues pour avoir de grandes surfaces.
• la Procédé Haber pour la synthèse d' ammoniac à partir d'azote et un atome d'hydrogène , où le fer est le catalyseur.

Des exemples de catalyseurs qui effectuent des transformations spécifiques sur les groupes fonctionnels:

• Transformations de oléfiniques groupes:
  • la Catalyseur Ziegler-Natta utilisé pour produire en masse polyéthylène et polypropylene.
  • la Catalyseur de Grubbs pour métathèse d'oléfines.
  • la Procédé Monsanto
  • la Processus Wacker
  • la Réaction de Heck.

Ces exemples donnés montrent que différents catalyseurs d'effectuer d'autres transformations sur les mêmes groupes fonctionnels, où la réaction ne serait pas procéder, procéder très lentement, ou alors de manière non sélective sans la présence du catalyseur.

Le catalyseur le plus courant est le proton. De nombreux métaux de transition et de métal de transition complexes sont utilisés dans la catalyse ainsi.

Nouvelles orientations - organocatalyse

Bien que les catalyseurs de métaux de transition sont bien établis, une nouvelle tendance est à organocatalyse qui utilisent des molécules organiques relativement simples comme catalyseurs. Bien que typiquement, la charge de catalyseur est beaucoup plus élevée que les catalyseurs à base de métaux de transition, les catalyseurs sont en général disponibles dans le commerce en vrac, en aidant à réduire les coûts de façon drastique. Organocatalyseurs de la «nouvelle génération» sont compétitifs à des catalyseurs contenant des métaux traditionnels et sont dus à l'inhibition faible produit applicable en quantités stoechiométriques. Le caractère chimique de organocatalyseurs offre des perspectives et avantages nouveaux et attrayants pour les chimistes de synthèse de travail.

Les procédés catalytiques

En 2005, les processus catalytiques générés environ 900 milliards de dollars en produits dans le monde entier. (Pdf)

• Catalyse acide-base
• Les convertisseurs catalytiques à base de platine et de rhodium décomposent certains des sous-produits plus nocifs des gaz d'échappement automobile.
• Les piles à combustible
• Synthèse de Fischer-Tropsch.
• Procédé Haber (synthèse de l'ammoniac à partir d'azote et un atome d'hydrogène , le cas ordinaire fer est utilisé comme catalyseur)
• Hydrogénation
• Méthanol synthèse
• L'acide nitrique production
• Petroleum raffinage et du traitement
  • Alkylation
  • Craquage catalytique - rupture hydrocarbures à longue chaîne en petits morceaux
  • Reformage du naphta
• Reformage à la vapeur de pour produire des hydrocarbures gaz de synthèse
• L'acide sulfurique production
• Transestérification
• La polymérisation d'oléfines