Catalyse - Académie d'Orléans-Tours
Dans chacune, une espèce chimique a un rôle particulier : on l'appelle un «
catalyseur .... Des macromolécules spécifiques, les enzymes, en quantités
infimes par ... permet la formation d'une liaison hydrogène qui stabilise alors le
complexe ...
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Thème : COMPRENDRE Lois et Modèles
(Sous-thème : Temps, mouvement et évolution)Type de ressources :
Pistes dactivités illustrant des notions du programme et permettant un approfondissement. Références bibliographiques et sitographie.Notions et contenus :
Temps et évolution chimique : cinétique et catalyse
Catalyse homogène, hétérogène et enzymatiqueCompétence travaillée ou évaluée : Extraire et exploiter des informationsNature de lactivité :
Activité documentaireRésumé :
Lactivité se déroule en trois parties (les documents seront distribués successivement) :
La partie A, rapide, permet dénoncer la problématique : comment accélérer une transformation chimique sans agir sur les facteurs cinétiques ?
Dans la partie B, les élèves dégageront quatre caractéristiques dun catalyseur, puis ils en déduiront en quoi ces caractéristiques permettent de répondre à la problématique de départ.
Dans la partie C, ils devront extraire les informations permettant dillustrer ces caractéristiques.Mots clefs : catalyse, enzymes, vitesse de réactionAcadémie où a été produite la ressource : Académie dOrléans-Tours
HYPERLINK "http://physique.ac-orleans-tours.fr/" http://physique.ac-orleans-tours.fr/
La catalyse : intérêt
Conditions de mise en uvre : activité de découverte, en classe (2h) ou à la maison
Lactivité se déroule en quatre parties (les documents seront distribués successivement) :
La partie A, rapide, est basée sur un article concernant la compétitivité de lindustrie chimique en France. Elle permet dénoncer la problématique : comment accélérer une transformation chimique sans agir sur les facteurs cinétiques ?
Dans la partie B, à partir de quatre expériences différentes de chimie organique et inorganique et des observations associées, les élèves dégageront quatre caractéristiques dun catalyseur : accélération de la vitesse de réaction, régénération, non modification de létat final, et sélectivité. Ensuite, ils en déduiront en quoi ces caractéristiques permettent de répondre à la problématique de départ.
Dans la partie C, cinq documents présentent diverses utilisations de la catalyse. Les élèves devront alors extraire les informations permettant dillustrer les caractéristiques relevées dans la partie B.
Lactivité pourra être poursuivie dans la partie D, où sont présentés un extrait dun blog et dune publicité. Une attitude critique sera mobilisée lors de cette partie dans la mesure où les élèves devront, à partir de leurs connaissances, reformuler deux informations mal exprimées dans les documents.
La partie B peut être menée sous la forme dune séance dactivités expérimentales afin de « Mettre en uvre une démarche expérimentale pour mettre en évidence le rôle dun catalyseur ».
Les parties C et/ou D pourront être utilisées dans le cadre dune évaluation.
On pourra utiliser lespace numérique de travail (ENT) de létablissement pour proposer une version numérisée des documents et éviter ainsi de faire de nombreuses photocopies. Le recours à lENT pourra permettre éventuellement une lecture en amont des documents.
Compétences travaillées :
Compétences du préambule du cycle terminal : Rechercher, extraire et organiser linformation utile, Mettre en uvre un raisonnement, Communiquer à l'écrit.
Compétences « extraire et exploiter » : Sinterroger sur la valeur scientifique des informations, Choisir ce qui est à retenir dans des ensembles, Exploitation qualitative, Communication en tant que scientifique.
Pré-requis : - Réactions lentes, rapides ; durée d'une réaction chimique.
- Facteurs cinétiques. Évolution d'une quantité de matière au cours du temps.
Lire et comprendre : la problématique
Extrait du HYPERLINK "http://www.industrie.gouv.fr/biblioth/docu/kiosque/cahiers/pdf/c110.pdf" \t "_blank"Cahier Industries (publié par le ministère de lEconomie, des Finances et de lIndustrie) n° 110 janvier 2006 :
Améliorer la compétitivité de la filière chimique
« Afin de préserver la compétitivité internationale de la chimie française, le gouvernement travaille à la réduction du coût des approvisionnements en énergie et matières premières pour l'ensemble des entreprises de la filière.
Solidement implantée sur le territoire français où elle compte déjà quatre sites de production et un centre de recherche occupant au total plus de 1100 salariés, la grande firme multinationale pharmaceutique d'origine américaine Rohm and Haas vient encore une fois de choisir la France pour installer une nouvelle unité de production, un atelier de résines chimiques destinées au traitement de l'eau industrielle et domestique. Localisation : Chauny dans le département de l'Aisne. « Pour une entreprise comme la vôtre qui est présente en France depuis plus d'un demi-siècle, a indiqué François Loos, ministre délégué à l'Industrie, le 9 novembre dernier, à loccasion de linauguration du site, cet investissement témoigne de l'attractivité de notre pays pour les investisseurs étrangers. » Un atout sans aucun doute primordial pour permettre à la France de conserver une industrie chimique de rang mondial.
Comment le préserver ? Le rapport de Daniel Garrigue sur l'avenir de l'industrie chimique en France à l'horizon 2015, remis au gouvernement en mai 2005, propose nombre de pistes de réflexion intéressantes. Elles concernent essentiellement les problèmes liés au coût de l'énergie et des matières premières dans ce secteur d'activité. « Dans l'état actuel de leurs processus de production, peut-on lire dans le rapport, les industries chimiques sont sans aucun doute le premier secteur industriel consommateur d'énergie en France. » »
Néanmoins, pour être compétitive, une entreprise doit aussi pouvoir synthétiser rapidement ses produits.
En utilisant vos connaissances sur la cinétique chimique, expliquez en quoi laccélération dune transformation chimique ne va pas forcément dans le sens dune réduction des coûts évoqués dans larticle. Votre raisonnement sera présenté dans un court paragraphe organisé et argumenté, en utilisant un vocabulaire scientifique adapté.
Les caractéristiques despèces chimiques appelées catalyseurs peuvent apporter une solution à cette problématique. A partir des différents documents et consignes donnés, vous allez répondre aux questions suivantes :
Quelles sont les caractéristiques dun catalyseur ? (PARTIE B)
Comment celles-ci peuvent-elles intervenir dans la vie quotidienne ? (PARTIE C)
Comment reformuler des informations mal exprimées dans des documents visant le grand public ? (PARTIE D)
Quelles sont les caractéristiques dun catalyseur ?
Les documents suivants décrivent quatre expériences et les observations associées. Dans chacune, une espèce chimique a un rôle particulier : on lappelle un « catalyseur ».
En utilisant les observations et les résultats décrits dans ces expériences, extraire le rôle et les caractéristiques dun catalyseur (quatre points sont attendus). Votre raisonnement sera présenté en quelques lignes, dans un paragraphe organisé et argumenté, en utilisant un vocabulaire scientifique adapté.
Vous en déduirez, selon les mêmes consignes de présentation, lintérêt industriel dune telle espèce chimique.
Expérience 1
Léthanol et lacide éthanoïque peuvent réagir ensemble pour former, par une réaction dite « destérification », un ester appelé éthanoate déthyle et de leau :
CH3 CH2 OH + CH3 CO2H = CH3 CO2 CH2 CH3 + H2O
Dans le bécher 1, à température ambiante, on mélange 1,0 mol déthanol (soit 77,4 mL) avec 1,0 mol dacide éthanoïque (soit 38,5 mL).
Dans un autre bécher 2, on fait de même, mais en ajoutant en plus 1 mL dacide sulfurique concentré.
Au bout dune heure, on dose la quantité dacide éthanoïque restante. Les résultats obtenus sont les suivants :
Quantité dacide éthanoïque restant (en mol)
Bécher 1
0,99
Bécher 2
0,81
On laisse les mélanges pendant plusieurs mois, puis on réalise le même dosage. On obtient les résultats suivants :
Quantité dacide éthanoïque restant (en mol)
Bécher 1
0,34
Bécher 2
0,34
Expérience 2
Les ions iodure I- et les ions peroxodisulfate S2O82-(incolores) réagissent pour former du diiode, brun-orangé selon léquation :
2 S2O82 + 2 I = 2 SO42- + I2
Dans un bécher 1, on verse 10 mL dune solution de peroxodisulfate de potassium de concentration 0,05 mol.L-1 et 10 mL dune solution diodure de potassium à 0,50 mol.L-1.
Le même mélange est réalisé, en même temps, dans un bécher 2, auquel on ajoute quelques gouttes dune solution de sel de Mohr qui contient des ions fer II.
On observe dans les deux béchers le jaunissement de la solution, aboutissant à la même teinte, mais, dans le bécher 2, on constate que la coloration évolue plus rapidement que dans le bécher 1.
Expérience 3
Le peroxyde dhydrogène (eau oxygénée) est oxydant dans le couple H2O2/H2O, mais réducteur dans le couple O2/H2O2. Ainsi, leau oxygénée peut subir une dismutation selon la réaction 2 H2O2 = H2O + O2.
Bien entendu, cette décomposition est lente : cest la raison pour laquelle nous pouvons trouver, en pharmacie par exemple, des bouteilles deau oxygénée (qui est un désinfectant).
Or, si dans un tube à essai on ajoute à de leau oxygénée 2 à 3 gouttes de chlorure de fer III (jaune), on observe la formation de bulles de dioxygène indiquant que la réaction a lieu.
De plus, on observe une évolution de la coloration : initialement jaune à cause des ions fer III, la solution passe par une coloration orange, puis marron, avant de redevenir jaune une fois que le dégagement gazeux est fini.
Expérience 4
Léthanol peut se déshydrogéner pour former un aldéhyde (léthanal) selon la réaction suivante :
2 CH3 CH2 OH + O2 = 2 CH3 CH = O + 2 H2O .
Il peut aussi se déshydrater pour former un alcène (léthène) : CH3 CH2 OH = CH2 = CH + H2O
On chauffe de léthanol grâce au montage ci-contre, le verre à pied contenant de la DNPH (test permettant didentifier les aldéhydes), ou de leau de brome (test permettant didentifier les alcènes).
Après quelques minutes de chauffage, dans les deux cas, les tests sont négatifs.
On recommence lexpérience, en ajoutant, cette fois, une poudre métallique.
Lorsque la poudre est une poudre de cuivre, le test à la DNPH est positif et celui à leau de brome est négatif.
Lorsque la poudre est une poudre dalumine (Al2O3), le test à la DNPH est négatif, alors que celui à leau de brome est positif.
Comment les caractéristiques des catalyseurs peuvent-elles intervenir dans la vie quotidienne ?
En tant que journaliste scientifique, vous devez rédiger un article sur le dernier prix Nobel récompensant une découverte dans le domaine de la catalyse. Votre article commence ainsi :
« Les chercheurs récompensés par le prix Nobel hier ont fait des découvertes particulièrement intéressantes dans le domaine de la catalyse. Preuve de limportance de ce procédé dans la chimie : de nombreux prix Nobel ont déjà récompensé des chercheurs dont les découvertes mettent en jeu la catalyse. Par exemple :
en 2005, le français Yves Chauvin est récompensé pour la métathèse des oléfines, réaction catalysée consistant à casser les doubles liaisons C=C et à les recomposer en changeant la place de groupes d'atomes.
en 2007, lallemand Gerhard Ertl reçoit le prix pour ses recherches en chimie des surfaces, domaine qui s'attache aux réactions qui se produisent à l'interface solide / gaz ou liquide, très souvent impliquées en catalyse.
en 2010, Richard Heck (américain), Ei-ichiNegishi et Akira Suzuki (japonais), ont été récompensés pour le couplage croisé catalysé au palladium qui permet la synthèse de molécules complexes indispensables à la vie.
Mais quest-ce quun catalyseur ? Cest une espèce chimique qui accélère une réaction. Elle présente deux particularités : elle est régénérée à la fin de la transformation et elle présente un caractère sélectif, cest-à-dire quelle va favoriser la production du produit désiré par rapport à déventuels produits secondaires. »
Dans la suite de larticle, vous devez montrer aux lecteurs en quoi chacune des propriétés citées précédemment (accélération de la vitesse de réaction, régénération et sélectivité) peut être riche en applications dans la vie quotidienne. Votre raisonnement sappuiera sur les documents ci-après, sélectionnés pour illustrer votre article. Chaque propriété sera illustrée en une dizaine de lignes, dans un paragraphe organisé et argumenté, en utilisant un vocabulaire scientifique adapté.
Document 1 : Catalyse et lentilles
Leau oxygénée est un désinfectant qui peut, entre autres, être utilisé pour la désinfection des lentilles de contact : en effet, des dépôts de graisse et de protéines se forment et agissent comme substrats de micro-organismes qui peuvent endommager la lentille et l'il. Une solution de 1 à 5 % d'eau oxygénée peut être utilisée pour ce nettoyage.
Néanmoins, un rinçage soigneux avec destruction des restes d'eau oxygénée est indispensable car tout contact de cette substance avec les yeux provoquerait de graves irritations ! Pour cela, deux procédés sont utilisés :
dans le procédé le plus ancien, c'est un disque constitué d'une grille de platine qui sert de catalyseur. On peut aussi utiliser l'enzyme catalase comme catalyseur pour accélérer cette décomposition.
dans un procédé à une seule étape, on place, en même temps que la solution de peroxyde d'hydrogène, une pastille de catalase contenant une quantité suffisante d'enzyme pour assurer la décomposition complète du peroxyde. La pastille est conçue de manière à gonfler et libérer progressivement l'enzyme à une vitesse contrôlée laissant le temps au peroxyde d'assurer le nettoyage de la lentille.
Dans ces deux procédés, leau oxygénée subit la dismutation 2 H2O2 = H2O + O2 (réaction très lente sans catalyseur) qui possède deux avantages :
pendant le processus, des bulles de dioxygène formées ont une action « mécanique » sur les lentilles et permettent de décoller les impuretés,
à la fin du processus, il ne reste que de leau (sans danger pour lil).
Document 2 : Catalyse et Nobel
En 2001, trois chercheurs avaient obtenu le prix Nobel pour des réactions catalysées :
Extrait dun article de « Usine Nouvelle », 10 Octobre 2001, par Thierry Lucas
Chimie : le Nobel pour la synthèse asymétrique
« Le prix Nobel de chimie 2001 distingue trois pionniers de la synthèse asymétrique, cette technique qui permet de ne fabriquer que l'une des deux formes d'une molécule «chirale», images l'une de l'autre dans un miroir. Ces molécules sont fréquentes en pharmacie, où seule l'une des formes est active (l'autre étant parfois nocive), et la synthèse asymétrique a aussi des applications dans l'industrie agrochimique.
Les lauréats qui se partagent le prix sont William S. Knowles (Etats-Unis) et RyojiNoyori (Japon) d'une part, et K. Barry Sharpless (Etats-Unis), d'autre part. Knowles et Noyori sont récompensés pour leurs travaux sur la catalyse des réactions d'hydrogénation. (
) Parallèlement, Sharpless a travaillé sur un autre type de réactions fréquemment utilisées en synthèse organique : l'oxydation, toujours à l'aide de catalyseurs chiraux. Ses travaux ont notamment débouché sur des productions industrielles d'alcools époxy, qui sont des briques de base pour la synthèse de produits pharmaceutiques, par exemple des bétabloquants (médicaments utilisés dans le traitement des maladies cardio-vasculaires). »
Document 3 : Catalyse et enzymes (protéines catalysant des réactions souvent biochimiques)
Dans un cours de biochimie, on peut lire :
Un mélange de glucose, dATP et de NAD+ névolue pas significativement à 37°C.
En présence de glucokinase, le glucose réagit avec lATP :
glucose + ATP = glucose 6-phosphate + ADP
Cette réaction est la première étape de la glycolyse : une voie métabolique d'assimilation du glucose et de production d'énergie chez les organismes vivants.
Mais en présence de glucose-deshydrogénase, il réagit avec NAD+ :
glucose + NAD+ = D-glucono-1,5-lactone + NADH + H+
Cette réaction est la première étape dune autre voie du métabolisme énergétique dassimilation du glucose : la voie des pentoses phosphates, ou voie de Warburg-Dickens-Horecker.
Article issu du site du CNRS HYPERLINK "http://www.cnrs.fr/insb/recherche/parutions/articles2011/t-meinnel.htm" http://www.cnrs.fr/insb/recherche/parutions/articles2011/t-meinnel.htm
« L'un des principes fondamentaux du monde vivant est sa capacité à réaliser de manière extrêmement rapide et précise des réactions chimiques d'une grande complexité et de les enchaîner. C'est ainsi que les cellules perdurent et se divisent. Des macromolécules spécifiques, les enzymes, en quantités infimes par rapport aux réactants, ont le rôle de catalyser ces réactions biochimiques et peuvent être réutilisées un nombre incalculable de fois.
Mais comment ces protéines essentielles à la vie peuvent-elles accélérer les réactions aussi efficacement ? En fait, le substrat doit d'abord être reconnu par l'enzyme, entrer en contact avec certains groupes chimiques qui lui sont propres, puis subir une transformation, favorisée par l'environnement chimique ainsi constitué et associée à des déformations de groupements moléculaires physiquement rapprochés dans l'espace. L'ensemble atteint ainsi un état éphémère très réactionnel appelé « état de transition », qui augmente la rapidité de la réaction biochimique de plusieurs centaines de milliards de fois.
Une enzyme est capable de changer de conformation selon l'état d'avancement de la réaction chimique qu'elle catalyse. La première modification morphologique de la macromolécule (I) est induite par la fixation du substrat dans une poche bien spécifique de l'enzyme initialement ouverte (O). Cette étape, au cours de laquelle l'enzyme se referme progressivement autour du composé, permet la formation d'une liaison hydrogène qui stabilise alors le complexe dans un état particulièrement réactif (C). Enfin, lorsque l'enzyme a hydrolysé le substrat (S) et libéré les produits de cette réaction, elle retrouve sa forme ouverte de départ, prête à accueillir un nouveau composé. »
© ISV, T. Meinnel, C. Giglione
Document 4 : Catalyse et police scientifique
Le luminol ou 5-amino-2,3-dihydrophtalazine-1,4-dione est un composé organique de formule brute C8H7N3O2. Son oxydation par leau oxygénée produit du diazote, de leau et des ions aminophtalate : EMBED ACD.ChemSketch.20+ 2 H2O2 + 2 HO-EMBED Equation.3EMBED ACD.ChemSketch.20+ N2 + 4 H2O
Les ions aminophtalate sont dans ce cas dans un état excité. Ils vont retrouver leur état de repos en donnant leur surplus d'énergie sous forme de photons : cela se traduit par l'émission d'une lumière bleue.
Cette réaction, très lente, peut prendre jusquà plusieurs mois... Néanmoins, en présence d'un composé contenant des ions fer III, elle est beaucoup plus rapide et est réalisée en quelques secondes.
L'hémoglobine des globules rouges du sang contient des ions fer III. Le luminol va servir à déceler des traces de sang, même infimes, diluées par lavage ou séchées.
Document 5 : Catalyse et pollution
Issu de « Si la chimie métait contée », Paul Arnaud, Belin Pour la science
« La combustion d'un hydrocarbure, par exemple un octane de formule C8H18 donne de l'eau et du dioxyde de carbone, comme l'établit le bilan: C8H18 + EMBED Equation.3O2 = 8 CO2 + 9 H2O.
Les gaz d'échappement d'un moteur ne devraient donc contenir que du gaz carbonique et de la vapeur d'eau. Mais les choses sont plus compliquées et ils contiennent aussi, à la suite de diverses autres réactions, du monoxyde de carbone CO, des oxydes d'azote NO et NO2, ainsi qu'une certaine quantité d'hydrocarbures non brûlés, auxquels s'ajoutent encore des particules de carbone dans le cas du Diesel particulièrement.
Les pots d'échappement catalytiques ont pour fonction de détruire, parmi ces composants, ceux qui représentent les facteurs de pollution les plus dangereux : CO, NO, NO2 et les hydrocarbures. Ils contiennent des «lits » catalytiques au contact desquels les gaz circulent, constitués par des métaux tels que le platine, le palladium et le rhodium, déposés sur un support en céramique ou en métal. À leur contact, par le jeu de réactions assez complexes, CO est oxydé en CO2, NO2 et NO sont réduits en diazote N2 et les hydrocarbures sont «brûlés » en CO2 et H2O. Les rejets ne contiennent donc, outre le diazote « rendu » à l'atmosphère, que du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau. Mais ces pots catalytiques sont incompatibles avec l'utilisation de carburants « plombés », car le plomb inactive (on dit «empoisonne») les catalyseurs. »
Cherchez lerreur
Deux informations délivrées dans les documents sont mal formulées. Après les avoir repérées, vous proposerez une reformulation.
Document 1 : Catalyse et lessive
C'est en 1913 qu'Otto RÖHM développa la première lessive en poudre enrichie aux enzymes provenant d'extraits pancréatiques. Les lessives en poudre modernes contiennent entre autres des enzymes : protéases, lipases, cellulases et amylases. Les enzymes contenues dans la lessive agissent dans des conditions extrêmes : les réactions enzymatiques se déroulent à des pH alcalins (environ pH = 10) et des températures allant de 30 à 90°C.
En 1969, une marque les met en avant, en les qualifiant d « enzymes gloutons ». On pouvait lire, sur une affiche : « Ses multi-enzymes dévorent les taches. Chaque paquet dAla® contient une forte concentration de multi-enzymes. Ils dévorent les taches de fruit, uf, herbe, sauce, chocolat, etc. »
Publicité vidéo : HYPERLINK "http://www.culturepub.fr/videos/ala-lessive-enzymes-gloutons"http://www.culturepub.fr/videos/ala-lessive-enzymes-gloutons
Document 2 : Catalyse et ménage
Article issu du site : HYPERLINK "http://www.dismoicomment.fr/cuisine/comment-nettoyer-un-four-catalyse.htm"http://www.dismoicomment.fr/cuisine/comment-nettoyer-un-four-catalyse.htm
« Le four à catalyse dispose dune option de nouvelle technologie qui révolutionne lentretien de celui-ci. Généralement le nettoyage dun four est une réelle corvée. Grâce à des parois en émail qui sont dégraissantes lentretien devient très facile : votre four à catalyse se nettoie automatiquement à chaque utilisation. A forte température laction des parois du four absorbe les différentes graisses avant que celles-ci viennent encrasser votre appareil électroménager. »
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Coton imbibé déthanol
Coton imbibé déthanol
Poudre métallique
