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La catalyse

Un catalyseur est un solide qui a la propriété d’accélérer la vitesse de réaction d’une transformation chimique thermodynamiquement possible. Le catalyseur se retrouve en principe inaltéré à la fin de la réaction. Si le catalyseur est un solide, il est capable de créer des intermédiaires actifs d’un type différent : les espèces adsorbées (adsorption des réactifs à sa surface). La catalyse hétérogène est essentiellement un phénomène de surface.

La vitesse rc d’une réaction catalytique se définit théoriquement comme le nombre de moles de réactif transformé par unité de temps et par une surface unité du catalyseur. La surface réelle d’une quantité donnée de catalyseur étant parfois difficile à connaître, on préfère dans la pratique définir rc par rapport à l’unité de masse de ce catalyseur.



rc et Ac étant exprimés en mol.s-1.kg-1. La fonction g(Ck) correspond à la fonction des concentrations.

La réaction ayant lieu non pas dans tout le volume d’une phase fluide, mais à l’interface solide/fluide, la formation des espèces adsorbées actives implique un transport des molécules vers la surface, suivie d’adsorption. La réaction de surface donne des produits qui doivent d’abord se désorber du solide, puis migrer dans la phase fluide. Un cycle catalytique se déroule donc en cinq étape:

1. Transfert des réactifs vers la surface du solide : la diffusion, processus physique, tend à égaliser les concentrations dans la phase fluide. Un courant de diffusion s’établit donc au voisinage de l’interface solide/fluide, lorsque la consommation des réactifs sur la surface et la formation de produits provoquent dans cette région des gradients de concentration.


En régime permanent, le flux Ji (en mol.s-1.m-2) d’une substance (vers la surface du catalyseur) est proportionnel au gradient de concentration Ci de cette substance. Le facteur de proportionnalité, appelé coefficient de diffusion est beaucoup plus faible dans les liquides que dans les gaz.

2. Adsorption des réactifs sur le catalyseur : l’adsorption se traduit par des ruptures de liaisons intramoléculaires et il y a formation de liaisons avec la surface. Ces espèces adsorbées constituent des intermédiaires actifs qui, réagissant entre eux, permettront à la réaction de se dérouler suivant un mécanisme différent de l’activation thermique.

3. Interactions entre réactifs adsorbés à la surface : il est difficile de connaître les réactions qui se produisent à la surface du catalyseur. En effet, les réactions sont généralement trop rapides malgré les progrès des méthodes analytiques. D’autre part, on n’est jamais certain d’avoir identifié toutes les espèces adsorbées intervenant réellement dans une transformation.

4. Désorption des produits de la surface catalytique : une réaction catalytique est une suite de réactions élémentaires et les sites actifs doivent être régénérés après désorption des produits.

5. Transfert des produits quittant le catalyseur.

En conclusion, la catalyse est caractérisée par une grande spécificité dans l’interaction entre les molécules et le solide. La compréhension de l’acte catalytique nécessite entre autres:
- de bien connaître la structure superficielle du solide, qui peut différer de sa structure massique
- d’identifier les espèces adsorbées et, parmi elles, les intermédiaires actifs
- d’établir la séquence d’étapes élémentaires traduisant la filiation entre les intermédiaires actifs conduisant à la transformation ; c’est l’objet de la cinétique.

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