Catalyse et dépendance à la température
Les vitesses de réaction augmentent fortement avec la température, un phénomène décrit par l'équation d'Arrhenius, et les catalyseurs accélèrent les réactions en offrant des voies alternatives avec des barrières d'activation plus basses.
Definition
La catalyse est l'accélération d'une réaction par une substance qui offre une voie de moindre énergie et est régénérée inchangée, et la dépendance à la température fait référence à la relation d'Arrhenius entre la constante de vitesse, l'énergie d'activation et la température.
Scope
Ce sujet aborde la dépendance à la température des constantes de vitesse via l'équation d'Arrhenius, l'énergie d'activation et le facteur pré-exponentiel, ainsi que leur interprétation moléculaire par les théories des collisions et de l'état de transition. Il couvre la cinétique de la catalyse : comment les catalyseurs abaissent la barrière d'activation sans être consommés, la catalyse homogène et hétérogène, les mécanismes de surface de Langmuir-Hinshelwood et Eley-Rideal, et la catalyse enzymatique via le schéma de Michaelis-Menten. La théorie détaillée du complexe activé et les lois de vitesse sous-jacentes sont traitées dans des sujets connexes.
Core questions
- Comment l'équation d'Arrhenius relie-t-elle la constante de vitesse à la température et à l'énergie d'activation ?
- Comment un catalyseur augmente-t-il la vitesse sans être consommé ni déplacer l'équilibre ?
- Comment les mécanismes de Langmuir-Hinshelwood et Eley-Rideal décrivent-ils la catalyse de surface ?
- Comment le schéma de Michaelis-Menten explique-t-il la cinétique enzymatique et la saturation ?
Key concepts
- Équation d'Arrhenius et facteur pré-exponentiel
- Énergie d'activation
- Catalyse homogène et hétérogène
- Mécanismes de Langmuir-Hinshelwood et Eley-Rideal
- Cinétique enzymatique de Michaelis-Menten
Key theories
- Équation d'Arrhenius
- La constante de vitesse dépend exponentiellement du rapport négatif de l'énergie d'activation à l'énergie thermique ; ainsi, un graphique du logarithme de la constante de vitesse en fonction de l'inverse de la température permet d'obtenir l'énergie d'activation à partir de sa pente.
- Cinétique enzymatique de Michaelis-Menten
- Une enzyme lie le substrat dans un pré-équilibre rapide pour former un complexe qui se convertit en produit, donnant une vitesse qui augmente avec la concentration du substrat et sature à une vitesse maximale, caractérisée par la constante de Michaelis.
Clinical relevance
Ces concepts sont à la base de la catalyse hétérogène industrielle, comme la synthèse de l'ammoniac et les convertisseurs catalytiques, du contrôle de la température et de la stabilité des processus chimiques et des matériaux stockés, ainsi que de l'analyse quantitative des enzymes qui rend la catalyse centrale en biochimie et dans l'action des médicaments.
History
Berzelius a nommé la catalyse en 1835 ; Arrhenius a formulé la loi de température des vitesses en 1889, et le début du XXe siècle a vu les cinétiques de surface de Langmuir et le traitement des enzymes par Michaelis-Menten en 1913, établissant la catalyse comme une branche quantitative de la cinétique.
Key figures
- Svante Arrhenius
- Jons Jacob Berzelius
- Leonor Michaelis
Related topics
Seminal works
- atkins2018
- laidler1987
Frequently asked questions
- Un catalyseur est-il consommé lors d'une réaction ?
- Non. Un catalyseur participe au mécanisme mais est régénéré à la fin du cycle catalytique. Ainsi, en principe, une petite quantité peut transformer une grande quantité de réactif, bien que les catalyseurs réels puissent se dégrader ou être empoisonnés au fil du temps.
- Pourquoi l'augmentation de la température accélère-t-elle généralement les réactions de manière si spectaculaire ?
- La fraction de molécules possédant suffisamment d'énergie pour franchir la barrière d'activation augmente exponentiellement avec la température. Ainsi, même une légère augmentation de température peut multiplier la vitesse, ce qui explique pourquoi de nombreuses réactions voient leur vitesse doubler approximativement pour chaque augmentation de dix degrés.