Histoire
Le terme catalyse (du grec kata-, « vers le bas », et lyein, « détacher ») a été employé pour la première fois par le grand chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius en 1835 pour corréler un groupe d’observations faites par d’autres chimistes à la fin du 18e et au début du 19e siècle. Il s’agissait notamment de la conversion accrue de l’amidon en sucre par les acides, observée pour la première fois par Gottlieb Sigismund Constantin Kirchhoff ; des observations de Sir Humphry Davy selon lesquelles le platine accélère la combustion de divers gaz ; de la découverte de la stabilité du peroxyde d’hydrogène en solution acide, mais de sa décomposition en présence d’alcali et de métaux tels que le manganèse, l’argent, le platine et l’or ; et de l’observation que l’oxydation de l’alcool en acide acétique s’effectue en présence de platine finement divisé. Les agents favorisant ces diverses réactions ont été appelés catalyseurs, et Berzelius a postulé qu’une force catalytique spéciale inconnue opérait dans ces processus.
En 1834, le scientifique anglais Michael Faraday avait examiné le pouvoir d’une plaque de platine pour accomplir la recombinaison de l’hydrogène et de l’oxygène gazeux (les produits de l’électrolyse de l’eau) et le retardement de cette recombinaison par la présence d’autres gaz, tels que l’éthylène et le monoxyde de carbone. Faraday soutenait qu’il était essentiel pour l’activité qu’il y ait une surface métallique parfaitement propre (au niveau de laquelle les gaz retardateurs pouvaient entrer en compétition avec les gaz en réaction et ainsi supprimer l’activité), un concept qui se révélera plus tard être généralement important en catalyse.
Plusieurs des arts techniques primitifs impliquaient des applications inconscientes de la catalyse. La fermentation du vin en acide acétique et la fabrication du savon à partir de graisses et d’alcalis étaient bien connues au début de l’histoire de l’homme. L’acide sulfurique préparé par la cuisson de mélanges de soufre et de nitre (nitrate de sodium) était un précurseur du procédé de fabrication de l’acide sulfurique par chambre de plomb, dans lequel l’oxydation du dioxyde de soufre était accélérée par l’ajout d’oxydes d’azote. (Un mécanisme pour ce dernier processus a été suggéré par Sir Humphry Davy en 1812 sur la base d’expériences réalisées par d’autres.)
En 1850, le concept de vitesse de réaction a été développé lors d’études sur l’hydrolyse, ou l’inversion, du sucre de canne. Le terme d’inversion fait référence au changement de rotation subi par la lumière monochromatique lorsqu’elle traverse le système réactionnel, un paramètre facilement mesurable, ce qui facilite l’étude de la réaction. On a constaté qu’à tout moment, la vitesse d’inversion était proportionnelle à la quantité de sucre de canne en cours de transformation et que cette vitesse était accélérée par la présence d’acides. (Plus tard, il a été démontré que le taux d’inversion était directement proportionnel à la force de l’acide). Ce travail a été en partie le précurseur des études ultérieures de la vitesse de réaction et de l’influence accélératrice d’une température plus élevée sur cette vitesse par J.H. van ‘t Hoff, Svante Arrhenius et Wilhelm Ostwald, qui ont tous joué un rôle de premier plan dans le développement de la chimie physique. Les travaux d’Ostwald sur les vitesses de réaction l’ont conduit dans les années 1890 à définir les catalyseurs comme des substances qui changent la vitesse d’une réaction chimique donnée sans modification des facteurs énergétiques de la réaction.
Cette affirmation d’Ostwald était une avancée mémorable car elle impliquait que les catalyseurs ne changent pas la position d’équilibre dans une réaction. En 1877, Georges Lemoine avait montré que la décomposition de l’acide hydriodique en hydrogène et en iode atteignait le même point d’équilibre à 350 °C, soit 19 %, que la réaction soit réalisée rapidement en présence d’une éponge de platine ou lentement en phase gazeuse. Cette observation a une conséquence importante : un catalyseur pour le processus direct d’une réaction est également un catalyseur pour la réaction inverse. P.E.M. Berthelot, l’éminent chimiste français, a confirmé cette observation en 1879 avec des systèmes liquides, lorsqu’il a constaté que la réaction des acides organiques et des alcools, appelée estérification, est catalysée par la présence de petites quantités d’un acide inorganique fort, tout comme l’est le processus inverse, l’hydrolyse des esters (la réaction entre un ester et l’eau).
L’application délibérée des catalyseurs aux processus industriels a été entreprise au 19ème siècle. P. Phillips, un chimiste anglais, a breveté l’utilisation du platine pour oxyder le dioxyde de soufre en trioxyde de soufre avec de l’air. Son procédé a été utilisé pendant un certain temps mais a été abandonné en raison de la perte d’activité du catalyseur en platine. On a découvert par la suite que des poisons présents dans les réactifs en étaient responsables, et le procédé est devenu un succès technique au début du XXe siècle. En 1871, un procédé industriel a été mis au point pour l’oxydation de l’acide chlorhydrique en chlore en présence de sels cuivriques imprégnés dans une brique d’argile. Le chlore obtenu était employé dans la fabrication de poudre de blanchiment (une substance sèche qui libère du chlore lorsqu’elle est traitée par un acide) par réaction avec de la chaux. Là encore, dans cette réaction, on a observé que le même équilibre était atteint dans les deux sens. En outre, il a été constaté que plus la température est basse, plus la teneur en chlore à l’équilibre est élevée ; une température de travail de 450 °C (840 °F) a produit la quantité maximale de chlore dans un temps convenable.
Vers la fin du 19ème siècle, les études classiques de l’éminent chimiste français Paul Sabatier sur l’interaction de l’hydrogène avec une grande variété de composés organiques ont été réalisées en utilisant divers catalyseurs métalliques ; ces recherches ont conduit au développement d’un brevet allemand pour l’hydrogénation des graisses insaturées liquides en graisses saturées solides avec des catalyseurs de nickel. Le développement de trois importants procédés catalytiques allemands a eu un grand impact sur l’industrie à la fin du XIXe siècle et dans les premières décennies du XXe siècle. L’un d’entre eux était le procédé dit de contact pour produire de l’acide sulfurique de manière catalytique à partir du dioxyde de soufre produit par les opérations de fusion. Un autre était la méthode catalytique pour la production synthétique du précieux colorant indigo. Le troisième était la combinaison catalytique de l’azote et de l’hydrogène pour la production d’ammoniac – le procédé Haber-Bosch de fixation de l’azote – mis au point par les chimistes Fritz Haber et Carl Bosch.