Introduction to catalysis chemistry Preliminaries Definition Types of catalysis Example n catalyseur est une espèce chimique qui permet d’augmenter la vitesse d’une réaction mais qui n’apparaît pas dans l’équation de cette réaction. Lorsqu’un catalyseur est utilisé pour accélérer une transformation, on dit que celle-ci est catalysée. Il existe trois types de catalyses : la catalyse hétérogène, la catalyse homogène et la catalyse enzymatique. Un catalyseur modifie le mécanisme réactionnel de la réaction étudiée, c’est-à-dire la nature des étapes permettant de passer des réactifs aux produits. En aucun cas, il ne pourra modifier le sens d’évolution d’un système, ni son état d’équilibre. Un catalyseur influe uniquement sur la cinétique de la réaction chimique considérée. Il n’est pas consommé et se retrouve inaltéré à la fin de la réaction. Il suffit alors d’une très petite quantité de catalyseur pour transformer rapidement une grande quantité de réactifs. Un même catalyseur ne peut pas être efficace pour toutes les réactions. En général, un catalyseur catalyse une réaction déterminée et une réaction donnée ne peut être catalysée que par un nombre restreint de catalyseurs. On dit qu’un catalyseur est spécifique d’un type de réaction. Un catalyseur peut également être sélectif si, à partir d’un système initial susceptible d’évoluer selon plusieurs réactions, il accélère préférentiellement l’une d’elles. La plupart des procédés de synthèse industriels emploient des catalyseurs. Leur utilisation permet une augmentation de la vitesse de réaction et évite aux entreprises des coûts énergétiques trop importants. En effet, une hausse de la température du milieu a le même effet cinétique que l’utilisation d’un catalyseur. Cependant, le coût d’une élévation de température est nettement plus élevé, c’est pourquoi le choix du catalyseur est financièrement plus approprié. L’importance industrielle et économique des catalyseurs en fait aujourd’hui un des thèmes le plus étudiés dans la recherche.

Reaction Rate Rads = k P x Function of reactants (or products) concentrations (or pressure), temperature, presence of catalyst (or inhibitor) α, β, ... are the orders of the reactants k is the rate constant Example: rate of chemical adsorption Rads = k P x

Activation energy Arrhenius Law Observations A: pre-exponential factor Ea: Activation energy Observations Reaction don't start even if it is thermodynamically favorable (ΔG < 0) : Reaction rate increase with T This increasing is specific for each reaction On constate que dans beaucoup de cas, une réaction chimique ne démarre pas, même si ses paramètres thermodynamiques sont favorables (DG< 0) : le papier, le bois ne s'enflamment pas spontanément à température ambiante, il faut les allumer pour qu'ils brûlent. Il en va de même de l'eau oxygénée qui ne se décompose pas spontanément et du permanganate en solution dans l'eau qui n'oxyde pas cette dernière à température ambiante. Dans tous les cas, sans exception, on remarque que la vitesse des transformations chimiques augmente lorsque l'on augmente la température. Cette dépendance semble être spécifique à chaque réaction : elle est tantôt grande, tantôt nettement plus faible.

Definition What is a catalyst ? A catalyst modifies the mechanism of the reaction But never change the equilibrium state and evolution direction Catalyst is a chemical species which increase the rate of a reaction without being used up in the process

Thermodynamic and kinetic A catalyst reduces Ea for both forward and back reactions More steps in the reaction Effects of catalyst different for each reactions ΔH do not change

Catalyst Cycle Catalyst can be used again and again in theory A catalyst has active sites But many problems can occur

Catalyst deactivation Poisoning impurities which can bind strongly to the active sites on the surface Sintering of the active metal particles Sintering and solid-solid phase transitions of the support (encapsualtion)

Catalyst Parameters Activity Selectivity Stability Turnover factor is the number of molecules converted by each catalytic site in a unit of time Selectivity A selectivity of 99,99% means that the catalyst makes one mistake in 10.000 conversions Stability The number of reactions performed by each active site before it decays or becomes inactive

The three Types of catalysis Homogeneous Catalysis The catalyst and reactants are in the same phase, usually liquid Heterogeneous catalysis Catalyst and reactants are in different phases Enzymatic Catalysis Catalyst is an enzyme (macromolecules made of amino acids)

Homogeneous Catalysis Advantages Good contact with reactants Greater effective concentration of catalyst than with heterogeneous catalysts Disadvantages Catalysis needs to be separated after reaction Catalyst recovery may be difficult because the temperature for the distillation can destroy the catalyst

Heterogeneous Catalysis Advantages There is little difficulty in separating and recycling the catalyst Disadvantages There is a lower effective concentration of catalyst since the reaction occurs only on the exposed active surface To maximize the surface area catalysts are spread thinly on a cheap and sturdy support

Enzymatic Catalysis We would not survive without enzymes! Not fully understood Extremely efficient and highly selective: accept only one variety of substrates An Enzyme With a substrate

Example of simple catalysis Hydrogenation Catalysts used are Ni Pd Pt Ru Rh Co unsaturated  saturated products (Vegetable oils  margarine)

Conclusion Catalysis: only a kinetic improvement Never change the thermodynamic of the system Three type of catalysis A majority of industrial processes use catalysis