Catalyseur : qu'est-ce que c'est ?

Un catalyseur en chimie est une substance qui accélère ou favorise une réaction chimique sans être consommée dans le processus. Il permet de diminuer l'énergie d'activation nécessaire pour initier la réaction, facilitant ainsi la transformation des réactifs en produits. Le catalyseur n'est pas modifié chimiquement au cours de la réaction et peut donc être réutilisé.

Le rôle du catalyseur en chimie

Le rôle d'un catalyseur en chimie est d'offrir une voie alternative pour la réaction, avec une énergie d'activation plus faible, ce qui augmente la vitesse de réaction. Il interagit avec les réactifs pour former des intermédiaires réactionnels, qui se transforment ensuite en produits. Cependant, il n'est capable de modifier ni le sens de l'évolution du système, ni son état d’équilibre. Il influe uniquement sur la cinétique chimique, en accélérant une réaction ou en permettant de privilégier une réaction par rapport à une autre. Un catalyseur est spécifique d'un type de réaction, c'est-à-dire qu'un même catalyseur ne peut pas être efficace pour toutes les réactions chimiquesréactions chimiques.

Deux grands types de catalyseurs

Les catalyseurs homogènes : ils sont dans la même phase que les réactifs (gazgaz, liquide ou solidesolide). Les catalyseurs acido-basiques, comme les acides sulfurique et chlorhydrique, ou les bases comme l'hydroxyde de sodiumhydroxyde de sodium, sont des exemples de catalyseurs homogènes.

Les catalyseurs hétérogènes : ils sont dans une phase différente de celle des réactifs, généralement sous forme solide. Les métauxmétaux de transition, comme le platineplatine, le palladiumpalladium ou le nickel, sont souvent utilisés comme catalyseurs hétérogènes.

Les pots d'échappement catalytiques réduisent le dégagement des gaz nocifs comme le monoxyde de carbone (CO) dans l'atmosphère. © Tomasz Zajda, Adobe Stock

Exemples de catalyseurs dans la vie quotidienne

Les catalyseurs sont très importants pour l'industrie. De nombreuses recherches sont menées sur le sujet.

• Dans le secteur de l'automobileautomobile, les pots d'échappement catalytiques utilisent des métaux précieux comme catalyseurs pour convertir les gaz d'échappement nocifs (monoxyde de carbonemonoxyde de carbone, hydrocarbureshydrocarbures imbrûlés et oxydes d'azoteoxydes d'azote) en substances moins polluantes (dioxyde de carbonedioxyde de carbone, eau et azote). Ils permettent d'oxyder certains résidus toxiques de la réaction de combustion du mélange airair-essence. 
• La catalasecatalase dans le corps humain : cette enzymeenzyme biologique, présente dans les cellules vivantes, agit comme un catalyseur pour décomposer l'eau oxygénée (peroxyde d'hydrogèneperoxyde d'hydrogène) en eau et oxygèneoxygène, protégeant ainsi les cellules des effets néfastes de l'eau oxygénée qui peut être produite lors de certains processus métaboliques ou introduite par des facteurs externes tels que la pollution ou les infections.
• Le processus de fabrication de l'acide sulfuriqueacide sulfurique : le pentoxyde de vanadiumvanadium (V₂O₅) est utilisé comme catalyseur dans le procédé de contact pour accélérer la conversion du dioxyde de soufresoufre (SO₂) en trioxyde de soufre (SO₃), qui est ensuite transformé en acide sulfurique.

Les matériaux catalyseurs naturels et de synthèse

Il existe à la fois des matériaux catalyseurs naturels et de synthèse. Les catalyseurs naturels sont généralement des enzymes, des minéraux ou des substances d'origine biologique, tandis que les catalyseurs de synthèse sont préparés en laboratoire ou dans des installations industrielles.

Catalyseurs naturels 

Les enzymes sont des protéinesprotéines qui agissent comme catalyseurs dans les réactions biochimiques des organismes vivants. Elles sont très spécifiques à une réaction donnée et accélèrent considérablement les processus métaboliques.

Certains minéraux et argilesargiles peuvent également servir de catalyseurs naturels. Par exemple, les zéolitheszéolithes sont des composés minérauxminéraux de synthèse, proches de l'argile (minéraux alumino-silicatés hydratés). Ils présentent une structure microporeuse et des propriétés acides qui en font d'excellents catalyseurs, notamment dans le secteur de la pétrochimie, pour la transformation des hydrocarbures.

Aspect typique d'une zéolithe. Les zéolithes sont des solides cristallins qui peuvent servir de catalyseurs. © Didier Descouens, Wikimedia Commons, CC by-sa 4.0

Catalyseurs de synthèse

Les métaux de transition, comme le platine, le palladium, le nickelnickel et le cuivre, sont souvent utilisés comme catalyseurs de synthèse. Les oxydes métalliques, tels que l'oxyde d'aluminiumoxyde d'aluminium, l'oxyde de zinczinc et l'oxyde de titanetitane, peuvent également servir de catalyseurs. Ces matériaux sont généralement utilisés sous forme de poudres, de films minces ou de supports pour d'autres catalyseurs.

Les nanoparticulesnanoparticules de métaux, d'oxydes métalliques ou de composés métalliques peuvent être synthétisées et utilisées comme catalyseurs. Leur grande surface spécifique et leurs propriétés électroniques uniques en font des catalyseurs très efficaces.

Les catalyseurs organométalliques sont des complexes métalliques qui contiennent des ligandsligands organiques. Ils sont largement utilisés dans l'industrie chimique pour des réactions telles que l'hydrogénationhydrogénation, la polymérisationpolymérisation et la synthèse de produits pharmaceutiques.

Les catalyseurs acides solides sont des matériaux synthétiques qui présentent des propriétés acides et peuvent être utilisés comme catalyseurs dans des réactions d'alkylation, d'acylation et d'estérificationestérification. Les zéolithes modifiées, les résines échangeuses d'ionsrésines échangeuses d'ions et les oxydes métalliques sont des exemples de catalyseurs acides solides.