Fiche explicative de la leçon: Catalyseurs Sciences

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire et à expliquer l’effet des catalyseurs, y compris les enzymes, sur la vitesse des réactions chimiques.

Les catalyseurs sont des substances qui peuvent accélérer ou ralentir les réactions chimiques. Ils peuvent le faire sans s'épuiser ou être chimiquement modifiés lorsque les réactifs se transforment en produits. Ils ont essentiellement la même structure et les mêmes propriétés avant et après une réaction chimique. La figure suivante illustre comment la surface d'un catalyseur métallique peut accélérer une réaction en associant des matériaux et en formant des molécules de produits.

Les catalyseurs peuvent accélérer les réactions chimiques, car ils ont la capacité de modifier la façon dont les réactifs se transforment en produits. On peut faire réagir des réactifs chimiques en utilisant moins d’énergie en présence du bon catalyseur. Les catalyseurs peuvent faciliter les réactions chimiques en se liant aux molécules de réactifs au cours de la réaction. Les catalyseurs se détachent des molécules de réactifs lorsque celles-ci se transforment en produits.

Les catalyseurs ont essentiellement les mêmes propriétés chimiques avant et après toute réaction chimique. La plupart des chimistes utilisent une quantité relativement petite de matériau catalytique pour modifier une vitesse de réaction, car la même surface catalytique peut être utilisée indéfiniment sans s'épuiser. La figure suivante illustre comment une surface catalytique peut être utilisée afin d'accélérer une réaction entre des molécules vertes et des molécules jaunes.

Les enzymes sont des catalyseurs biologiques fabriqués par presque tous les types de cellules. Les enzymes ont tendance à être de grosses protéines ayant une forme complexe. Elles catalysent de nombreuses réactions importantes. Certaines enzymes permettent aux longues molécules de se décomposer rapidement en molécules plus petites. D’autres enzymes font réagir de petites molécules ensemble pour former très rapidement des molécules plus grosses. La figure suivante illustre comment une enzyme peut décomposer rapidement de longues molécules d’amidon en unités de sucre plus petites.

Les catalyseurs positifs sont des substances qui ont la capacité d’accélérer une réaction chimique. Ils peuvent être ajoutés à un mélange réactionnel pour accélérer la réaction. Les catalyseurs négatifs sont des substances qui ont la capacité de ralentir ou de retarder une réaction chimique. Ils peuvent être ajoutés à un mélange réactionnel pour ralentir la réaction.

Le graphique suivant illustre comment la vitesse d’une réaction chimique varie lorsque des catalyseurs positifs et négatifs sont ajoutés à un mélange réactionnel. La courbe verte illustre comment les réactifs se transforment en produits en l'absence de catalyseur. La courbe bleue illustre comment les mêmes réactifs se transforment en produits lorsqu’ils sont combinés avec un catalyseur positif. La courbe rouge illustre comment les réactifs se transforment en produits lorsqu’ils sont combinés avec un catalyseur négatif. La quantité de produits formés par seconde est modifiée de manière significative lorsque la réaction se produit en présence d’un catalyseur.

Des diagrammes de niveau d’énergie peuvent être utilisés pour comprendre pourquoi les catalyseurs accélèrent les réactions chimiques. Le graphique suivant illustre qu'une quantité minimale d’énergie doit être fournie aux réactifs pour les faire réagir entre eux et les transformer en molécules de produits. Le catalyseur modifie la quantité minimale d’énergie nécessaire pour faire réagir les molécules de réactifs et former des molécules de produits. Une quantité plus faible d’énergie est nécessaire pour que la réaction chimique se produise en présence d'un catalyseur.

Exemple 5: Déterminer comment un catalyseur affecte le profil énergétique d’une réaction chimique

Le graphique suivant illustre l’énergie nécessaire pour qu’une réaction chimique se produise. Comment un catalyseur affectera-t-il cette énergie ? 

1. Il l’augmentera.
2. Il ne l’affectera pas.
3. Il la diminuera.

Réponse

Le graphique illustre qu’une certaine quantité d’énergie doit être fournie aux réactifs pour déclencher une réaction chimique. La flèche rouge à double sens représente la quantité d’énergie qui doit être fournie aux réactifs pour les transformer en molécules de produits. Un catalyseur peut diminuer la taille de cette flèche. Ce qui peut modifier le processus réactionnel de sorte que moins d’énergie soit nécessaire pour transformer les réactifs en produits. Ce raisonnement peut être utilisé pour déterminer que le choix C est la bonne réponse à cette question.

L’action des catalyseurs positifs peut être comprise à l'aide de quelques expériences simples. Un équipement scientifique de base peut être utilisé pour démontrer que les molécules de peroxyde d’hydrogène se décomposent plus rapidement en présence du bon type de catalyseur.

La figure suivante illustre comment un élève peut utiliser un équipement scientifique relativement simple afin de comprendre comment un catalyseur à base de dioxyde de manganèse () peut accélérer la décomposition du peroxyde d’hydrogène liquide en eau et en dioxygène gazeux.

Méthode : Déterminer comment un catalyseur à base de dioxyde de manganèse affecte la décomposition des molécules de peroxyde d’hydrogène

Le montage expérimental pour cette réaction est illustré ci-dessous.

Voici les étapes nécessaires pour réaliser cette expérience : 

1. Attacher deux tubes à essai identiques à l'aide de pinces.
2. Remplir les tubes à essai avec 10 cm³ de peroxyde d’hydrogène liquide.
3. Ajouter une petite quantité de dioxyde de manganèse en poudre à un seul des tubes à essai.
4. Observer les tubes à essai afin de déterminer lequel des échantillons libère des bulles de dioxygène plus rapidement.

L’expérience devrait démontrer que le peroxyde d’hydrogène se décompose plus rapidement en présence d'un catalyseur à base de dioxyde de manganèse. Le dioxyde de manganèse en poudre est un catalyseur positif dans le cadre de cette expérience et il accélère la décomposition des molécules de réactifs de peroxyde d’hydrogène.

Le peroxyde d’hydrogène peut aussi être mélangé avec de la patate douce pour accélérer sa décomposition. La figure suivante illustre comment un élève peut utiliser un montage expérimental complètement différent pour démontrer comment les enzymes présentes naturellement accélèrent la décomposition des molécules de peroxyde d’hydrogène.

Méthode : Déterminer comment un morceau de patate douce affecte la décomposition des molécules de peroxyde d’hydrogène

Le montage expérimental pour cette réaction est illustré ci-dessous.

Voici les étapes nécessaires pour réaliser cette expérience : 

1. Remplir deux béchers identiques avec 300 cm³ de peroxyde d’hydrogène liquide.
2. Couper un petit morceau de patate douce et l’ajouter à l’un des béchers.
3. Observer les béchers pour déterminer quel échantillon libère des bulles de dioxygène plus rapidement.

Les élèves devraient pouvoir observer que de nombreuses bulles de gaz (dioxygène) sont produites autour du morceau de patate douce. La patate douce agit comme un catalyseur positif dans le cadre de cette expérience, car elle permet aux molécules de peroxyde d’hydrogène de se transformer plus rapidement en molécules de produits gazeux. La patate douce peut accélérer la décomposition des molécules de peroxyde d’hydrogène, car elle contient une concentration relativement élevée de l’enzyme oxydase.

Les chimistes utilisent des catalyseurs métalliques depuis quelques dizaines d’années afin d'accélérer la décomposition des gaz polluants et les transformer en produits moins toxiques. La plupart des voitures produites pendant et après les années 1980 ont été fabriquées en y incluant des pots catalytiques. La figure suivante illustre comment les pots catalytiques peuvent être utilisés pour accélérer la décomposition des gaz polluants et les transformer en produits moins nocifs, comme des molécules d’eau et d’azote.

Les pots catalytiques contiennent de grandes structures en forme de nid d’abeilles qui sont fabriquées à partir de métaux catalytiques, tels que le platine. Ces structures en forme de nid d’abeilles ont des surfaces de contact très grandes et les pots catalytiques peuvent donc réagir avec une grande quantité de gaz nocifs avant qu'ils soient expulsés par le moteur de la voiture par le pot d’échappement.

Les catalyseurs sont utilisés quotidiennement par les humains pour fabriquer toutes sortes de substances chimiques et pour favoriser toutes sortes de réactions chimiques importantes. La plupart des gens possèdent une réserve abondante de l’enzyme lactase qui accélère la décomposition des sucres contenus dans le lactose, mais certaines personnes sont intolérantes au lactose et doivent généralement ajouter des lactases au lait afin de pouvoir le digérer plus facilement.

Des enzymes sont également ajoutées aux détergents à lessive et à lave-vaisselle pour les rendre plus efficaces à décomposer la saleté et les résidus graisseux. Les chefs utilisent aussi des catalyseurs pour favoriser la réaction de Maillard et ainsi rendre la croûte des bretzels plus appétissante. De nouveaux catalyseurs sont même ajoutés à certains objets, tels que des fenêtres, pour leur permettre de décomposer la saleté et de s'auto-nettoyer.