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Laquelle des raisons suivantes peut expliquer pourquoi un gramme de nanoparticules d’or est un meilleur catalyseur qu'un gramme d'or métallique solide ? (A) Les nanoparticules ont une plus petite masse. (B) Les nanoparticules ont une plus petite surface de contact. (C) Les nanoparticules ont un plus grand volume. (D) Les nanoparticules ont une plus grande surface de contact. Ou (E) Les nanoparticules ont une plus grande masse.
Nous devons déterminer pourquoi un gramme de nanoparticules d’or est un meilleur catalyseur qu’un gramme d’or métallique solide. Avant de discuter de leur pouvoir catalytique, examinons un gramme de nanoparticules et un gramme de métal solide. Les métaux peuvent prendre diverses formes, même des feuilles et des fils, car ils sont malléables et ductiles. Cependant, pour des raisons de simplicité, imaginons un gramme d'or métallique sous forme de cube. Sa masse est d’un gramme, son volume est égal à sa longueur multipliée par sa hauteur multipliée par sa largeur et son aire totale est égale à sa longueur multipliée par la hauteur d’un de ses côtés multipliée par les six côtés du cube.
Toutefois, un gramme de nanoparticules d’or consiste en de nombreuses particules minuscules. Pour des raisons de simplicité, si nous imaginons que ces particules sont toutes de forme cubique, nous pourrions toujours affirmer que leur masse totale est d’un gramme. Le volume total serait égal à cette valeur-ci, bien que le volume de chaque particule soit très petit. Toutefois, l’aire totale de toutes ces nanoparticules n’est pas égale à l’aire de l'or métallique solide. En réalité, l’aire d’un gramme de nanoparticules d’or est très grande, mais nous n'effectuerons pas le calcul pour le prouver. En comparaison, cette valeur ici, soit l’aire d’un gramme d’or métallique solide, est relativement petite.
Jusqu’à présent, nous avons observé qu’un gramme de nanoparticules d’or et qu'un gramme d’or métallique solide ont tous les deux la même masse. Nous pouvons donc éliminer la masse comme facteur du pouvoir et de l’activité catalytiques. Bien que chaque nanoparticule ait une masse individuelle inférieure à un gramme d’or métallique solide, il s'agit toujours de la même masse totale d’or métallique. Nous pouvons donc éliminer les choix de réponse (A) et (E), puisque les nanoparticules n’ont pas une masse plus petite ou plus grande, mais bel et bien la même masse totale qu’un gramme d’or métallique solide.
Nous avons également constaté que le volume total d’un gramme de nanoparticules d’or et le volume total d’un gramme d’or métallique solide sont égaux. Étant donné que ce facteur est identique, il ne peut pas expliquer pourquoi les nanoparticules sont de meilleurs catalyseurs que le métal solide. Nous pouvons donc éliminer le choix de réponse (C). Le volume total des nanoparticules n’est pas plus grand que le volume de l'or métallique solide, mais bel et bien identique.
Il nous reste un facteur qui est différent entre un gramme de nanoparticules et un gramme de métal solide, soit la surface de contact ou l'aire. L’or sous forme de nanoparticules a une surface de contact beaucoup plus grande que l’or solide ayant la même masse. Pour la même masse d’une substance, plus les particules sont petites, plus la surface de contact est grande. Par conséquent, plus de surface des atomes est exposée aux particules réactives. Et donc davantage de réactions sont catalysées par seconde, ce qui fait de ces petites nanoparticules de meilleurs catalyseurs.
Alors, laquelle des raisons suivantes peut expliquer pourquoi un gramme de nanoparticules d’or est un meilleur catalyseur qu'un gramme d'or métallique solide ? La réponse est (D). Les nanoparticules ont une plus grande surface de contact.
