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Définition de : CATALYSE, chimie

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Article publié par Encyclopaedia Universalis CATALYSE, chimie La catalyse est à la fois un moyen, auquel l'industrie chimique a constamment recours pour effectuer ses transformations de la façon la plus efficace et la e plus rentable, et une « réminiscence », dans la chimie du xxi siècle, de son lointain passé alchimique. Des accélérateurs réactionnelsDes accélérateurs réactionnels On entend par catalyse l'accélération d'une transformation chimique par l'adjonction d'un corps auxiliaire, en quantité minime. De surcroît, ce corps, appelé catalyseur, est récupérable après coup et peut donc resservir. De deux choses l'une : ou bien le catalyseur fait partie du même milieu que les espèces chimiques réactionnelles – une phase gazeuse ou liquide, en règle générale – et l'on parle de catalyse homogène ; ou bien le catalyseur, typiquement un solide en présence d'un mélange de gaz ou d'une solution liquide, appartient à un état de la matière différent, et l'on parle de catalyse hétérogène. Dans l'un et l'autre cas, il suffit de très peu de catalyseur pour manifester son action. Des quantités de l'ordre de un pour mille, en masse, sont en règle générale plus que suffisantes. L'expression « quantité catalytique » est d'ailleurs passée dans la langue commune, pour dénoter une toute petite quantité. Faut-il un exemple ? Efforcez-vous de faire brûler un morceau de sucre dans la flamme d'un réchaud ou d'un briquet.
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CATALYSE, chimie

La catalyse est à la fois un moyen, auquel l'industrie chimique a constamment recours pour effectuer ses transformations de la façon la plus efficace et la plus rentable, et une « réminiscence », dans la chimie du xxie siècle, de son lointain passé alchimique.

Des accélérateurs réactionnels

On entend par catalyse l'accélération d'une transformation chimique par l'adjonction d'un corps auxiliaire, en quantité minime. De surcroît, ce corps, appelé catalyseur, est récupérable après coup et peut donc resservir. De deux choses l'une : ou bien le catalyseur fait partie du même milieu que les espèces chimiques réactionnelles – une phase gazeuse ou liquide, en règle générale – et l'on parle de catalyse homogène ; ou bien le catalyseur, typiquement un solide en présence d'un mélange de gaz ou d'une solution liquide, appartient à un état de la matière différent, et l'on parle de catalyse hétérogène.

Dans l'un et l'autre cas, il suffit de très peu de catalyseur pour manifester son action. Des quantités de l'ordre de un pour mille, en masse, sont en règle générale plus que suffisantes. L'expression « quantité catalytique » est d'ailleurs passée dans la langue commune, pour dénoter une toute petite quantité.

Faut-il un exemple ? Efforcez-vous de faire brûler un morceau de sucre dans la flamme d'un réchaud ou d'un briquet. Vous n'y parvenez pas : ce combustible contient beaucoup de calories, et il ne brûle pas. À la rigueur, l'élévation de température le fait se caraméliser. En revanche, dès que vous le saupoudrez d'un peu de cendre, de bois ou de cigarette, vous assistez à sa combustion, devenue alors aisée. Il y a là une catalyse hétérogène, puisque cendre et sucre ne se mélangent pas. Elle provient de traces de métaux lourds, comme le cadmium, présents dans les cendres.

Le catalyseur, une espèce chimique neutre et active

Ce phénomène de la catalyse surprend, car il est en apparence paradoxal. Comment donc le catalyseur peut-il influencer la transformation qu'il catalyse sans en être lui-même, semble-t-il, affecté ? En règle générale, lorsque dans un phénomène quelconque A agit sur B, on s'attend à une action en retour de B sur A. Si donc tel catalyseur agit sur une transformation donnée, on escompte une réaction des corps intervenant dans cette transformation, qui devrait toucher le catalyseur. Or, en apparence, il n'en est rien. Le phénomène paraît mystérieux, et presque magique. On trouve de tels adjectifs en abondance sous la plume des premiers chimistes à avoir étudié la catalyse, lorsqu'elle fut découverte, dans les premières décennies du xixe siècle. Le catalyseur n'a-t-il pas en partage des propriétés qui étaient celles de la pierre philosophale des alchimistes, dont la notion d'action se fait par simple contact.

L'un des pères fondateurs de la catalyse fut Johann Wolfgang von Goethe (1749-1832), le poète et romancier allemand, qui, en outre chercheur passionné, trouve place à la jonction d'une pensée alchimique et d'une rationalité triomphante. Dans son roman Les Affinités électives (1809), le personnage de Mittler – dont le nom signifie l'entremetteur ou le courtier – précipite un changement, généralement catastrophique, à chacune de ses interventions dans l'intrigue. Qui plus est, Goethe sera un témoin privilégié de la découverte de la catalyse hétérogène par son ami et protégé, Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849).

Une notion devenue utilitaire et généraliste

De cet arrière-plan, littéraire et même mythique, nous sommes passés en deux siècles à une conception tout utilitaire de la catalyse et des catalyseurs. Ces derniers sont des nanorobots, c'est-à-dire de microscopiques machines-outils, exécutant de façon répétée, à une fréquence élevée, sempiternellement, le même acte. Celui-ci consiste à positionner les partenaires d'une transformation chimique en ordre utile : non seulement de façon à ce que les atomes qu'il importe de faire se lier les uns aux autres soient en regard, mais aussi en enserrant les molécules de façon à les mettre en contact, et à leur communiquer une activation suffisante pour qu'elles entrent en réaction.

Or toute réaction chimique requiert justement un apport d'énergie, indispensable pour faire passer les protagonistes au-dessus de la barrière qui presque toujours s'interpose entre l'état initial et l'état final. Le rôle du catalyseur est d'éroder cette barrière et de la diminuer, d'où l'accélération constatée. Pour ce faire, le catalyseur n'a nul besoin de fixer et de stabiliser l'état initial ; mais il est nécessaire qu'il vienne stabiliser le fugace état de transition, qui s'interpose entre le début et la fin de la réaction. Cet état de transition correspond aussi au point le plus élevé du graphe représentant les variations d'énergie potentielle – celle qui est liée aux positions relatives des atomes – en fonction de l'avancement de la réaction.

Une notion devenue utilitaire ? Effectivement, aucun procédé mis en œuvre dans l'industrie chimique n'est concevable actuellement en dehors de l'utilisation d'un catalyseur. Et l'innovation d'un procédé, d'une grande importance économique, qui constamment améliore une chaîne de transformations tout en les conduisant dans les mêmes unités de production, elles-mêmes extrêmement onéreuses en capital investi, a recours fréquemment à la seule amélioration du catalyseur choisi.

Un exemple de catalyse, utilitaire s'il en est, nous est familier à tous : le pot catalytique, réglementaire à présent sur tout véhicule mu par un moteur à explosion, purge les gaz d'échappement des oxydes d'azote qui, sinon, viendraient polluer l'atmosphère de façon insupportable, créeraient des brouillards d'aérosols nocifs pour les voies respiratoires et contribueraient aux pluies acides. Du fait de la présence d'un catalyseur, ces oxydes d'azote sont majoritairement convertis en diazote et dioxygène, c'est-à-dire en des gaz qui font partie naturellement de l'air.

La catalyse n'est pas à l'œuvre seulement dans le monde industriel. Elle l'est aussi dans l'organisme. Celui-ci fait intervenir, pour les processus vitaux que sont la respiration ou la digestion des aliments, des milliers de transformations chimiques simultanées, lesquelles s'effectuent dans nos cellules, à une température proche de 37 0C, très basse en comparaison de celles des réacteurs industriels, et en des temps très brefs, souvent de l'ordre de la seconde. Toutes ces réactions biochimiques sont catalysées. Les catalyseurs biologiques, dénommés enzymes, sont des protéines. Chacune des molécules d'enzymes évolue jusqu'à atteindre son fonctionnement optimal.

À l'heure actuelle, les chimistes étudient, pour s'en inspirer, les leçons du fonctionnement enzymatique. Ils font appel, par exemple, aux techniques de l'immunologie pour fabriquer des anticorps ayant, eux aussi, une activité catalytique comparable à celle des enzymes.

On qualifie d'autocatalyse le processus par lequel il advient qu'un catalyseur prenne part à sa propre transformation. Durant les années 1980, Thomas R. Cech et Sidney Altman firent une découverte majeure. Ils étudiaient les molécules d'ARN (acide ribonucléique) prélevé sur l'hydre verte, un petit animal à la structure simple, vivant en eau douce. Ces molécules d'ARN de l'hydre catalysent leur propre fragmentation ! La signification de ce résultat, qui ouvre au demeurant sur des applications en biotechnologies et en pharmacie, est que la vie sur notre planète a pu bénéficier à ses tout débuts d'une telle catalyse par des ribozymes – nom que Cech et Altman donnèrent à l'ARN servant ainsi de catalyseur : un « monde ARN » aurait préexisté au règne des protéines, dont nous vivons encore l'hégémonie (les enzymes, comme on l'a vu, sont des protéines). En 1996, on a trouvé que les molécules d'ADN peuvent quant à elles catalyser certaines réactions, quoique avec une efficacité largement inférieure à celle des enzymes et des ribozymes.

La catalyse est un concept carrefour qui exprime une continuité culturelle, celle de la chimie avec son aïeule discréditée, l'alchimie. Nos catalyseurs d'aujourd'hui sont autant de nouvelles émanations du phénix alchimique, le mythique oiseau de feu qui, dit-on, renaissait de ses cendres.

Ce même concept se trouve à la charnière de la chimie-science et de la chimie-industrie. Cette dernière ne saurait s'en passer. Néanmoins, son pragmatisme ne s'offusque pas d'ignorer la raison de l'efficacité de tel ou tel catalyseur. C'est le rôle de la chimie en tant que science que d'élucider les processus subtils et raffinés que toute catalyse met en œuvre.

Auteur: Pierre LASZLO