Travaux pionnier

Sabatier effectuera une longue série de travaux qui aboutiront à une méthode générale d’hydrogénation directe par catalyse, et qui vaudront à leur auteur le prix Nobel en 1912. Jusqu’alors, les méthodes d’hydrogénation se limitaient à l’utilisation de l’hydrogène naissant ou la catalyse par le platine.

Jusqu’alors, les méthodes d’hydrogénation se limitaient à l’utilisation de l’hydrogène naissant ou la catalyse par le platine.. Cette méthode est intéressante à plusieurs niveaux :
1- elle est simple, met en oeuvre une technique simple, nécessite un appareillage ordinaire, ne présente pas de danger et donne de bons rendements. Sabatier prit sept brevets.
2- elle réalise des réactions de grand intérêt, et donnera lieu à de très nombreuses applications industrielles, en France et à l’étranger.
3- elle donne lieu à une interprétation théorique, dans laquelle Sabatier fournit un mécanisme réactionnel reposant sur l’hypothèse de combinaisons intermédiaires. Signalons que des composés chimiques bidimensionels à composition et structure définies, intermédiaires de réactions (formiates métalliques) inaccessibles par les méthodes cinétiques, seront mis en évidence à la surface de catalyseurs, au début des années 60.
« J’admets que l’hydrogène agit sur le métal en donnant très rapidement sur sa surface une combinaison. L’hydrure ainsi engendré est facilement et rapidement dissociable, et s’il est mis en présence de matières capables d’utiliser de l’hydrogène, il le leur cède ne régénérant le métal; qui recommence indéfiniment le même effet ».
Cette explication purement chimique s’opposait à la thèse de Moissan et de Duclaux qui imaginaient une adsorption physique des réactifs sur le catalyseur, mode d’explication, souligne Sabatier, qui laisse en dehors d’elle tous les phénomènes accomplis en système homogène. Il ne doit pas exister « de différences fondamentales entre les divers genres de catalyses ».
La méthode d’hydrogénation directe connut un nombre impressionnant d’applications, particulièrement à l’étranger, à tel point que B. Wojtkowiak fait de Sabatier le « chef de file de l’école moderne de la catalyse hétérogène » [4]. Un exemple à rebondissements mérite d’être évoqué. Dans un brevet déposé en 1915, Sabatier et Maihle avaient indiqué un procédé de cracking catalytique des hydrocarbures, préférable au cracking thermique, et préconisaient l’utilisation de métaux divisés ou d’oxydes capables de les former, associée à une technique de revivification du catalyseur, in situ, par action de la vapeur d’eau. Cette méthode suscitera de très importantes retombées industrielles aux États-Unis et permettra notamment la fabrication d’importantes quantités d’essence qui servira à l’aviation de la seconde guerre mondiale. Il faut cependant compléter le tableau : seul, un pharmacien français s’intéressa au procédé, et c’est un jeune industriel intéressé aux courses automobiles qui réalisa, dans la banlieue parisienne, une unité pilote qui permettra de gagner beaucoup en points d’octane. Cette installation, qui n’intéressa aucun pétrolier de France fut reconstituée aux États-Unis, et le procédé Houdry à lit fixe fut mis en fonctionnement à la raffinerie de Paulsboro, près de Philadelphie. Dès 1936, la Sun Oil fut donc la première compagnie au monde à exploiter une unité de cracking catalytique.
En plus des applications dans l’industrie des pétroles qui connut l’évolution que l’on sait à partir de 1930, la méthode d’hydrogénation de Sabatier eut des retombées importantes dans la grande industrie de synthèse organique, l’industrie des corps gras, les industries dérivées de l’aniline (colorants et pharmacie), les industries dérivées du méthane. En 1944, H.S. Taylor savait saluer Sabatier et la France : « Paul Sabatier eut la gloire de maintenir bien haut parmi les nations le renom scientifique de la France. Hydrogénation des huiles, synthèse du méthanol, éthérification catalytique, synthèse d’amines et de thiols, hydrogénation d’oléfines, toutes les applications modernes de la catalyse aux hydrocarbures proviennent en ligne droite des travaux de Sabatier et de ceux de ses élèves ».
Sabatier le reconnaissait, l’explication par les combinaisons temporaires instables s’appuie sur la considération de produits hypothétiques. Elle a cependant été très féconde, et a permis de prévoir un grand nombre de phénomènes. N’est-ce pas le propre d’une bonne théorie ?

Au début du 20e siècle,

la catalyse progresse de façon essentiellement empirique : BASF testa au moins 2000 catalyseurs au cours de 6000 expériences avant de retenir le catalyseur au fer qui permettra la fabrication industrielle de l’ammoniaque à partir de l’azote de l’atmosphère. La compréhension du phénomène n’avance guère : la théorie des mécanismes purement chimiques de Sabatier, qui s’opposait à la théorie de Moissan de l’adsorption physique des réactifs, dans laquelle les réactifs étaient comprimés et échauffés dans les pores de la masse catalytique, fut critiquée par Ostwald [5]. Peu après, Langmuir publia une théorie de la chimisorption qui prend en compte les conditions physiques [6]. Aucune thèse ne se trouvant suffisamment fondée, il n’était guère possible d’être pris au sérieux quand on s’occupait de catalyse….. Si la plus grande partie des progrès techniques réalisés par la chimie industrielle depuis le début du siècle sont le fruit de la catalyse de contact, les progrès dans la connaissance des phénomènes seront la conséquence d’avancées de la catalyse homogène.

La catalyse a bien du mal à s’imposer comme domaine propre de l’activité scientifique, comme département de l’enseignement ou de la recherche. Car elle repose essentiellement sur le paradoxe, qui lui est constitutif : elle met en oeuvre de nombreux phénomènes qui touchent à la physique, à la chimie dans de multiples secteurs, et d’immenses pans de l’industrie chimique mettent en oeuvre des opérations catalytiques. Ce qui fait que, dans le fond, la catalyse sera mieux traitée en chimie industrielle par l’appréhension des procédés, que dans les traités de chimie physique. ….Bien que Sabatier ait commencé, dès 1927, à publier ses Notes aux C.R. de l’Académie des Sciences sous la rubrique Catalyse, et non plus Chimie organique, la catalyse ne constitue un véritable sujet que dans les années 1950. C’est ainsi que Paul H. Emmett est l’éditeur d’un ouvrage collectif, intitulé Catalysis, dont les deux premiers volumes sont consacrés aux principes fondamentaux et aux théories et de la catalyse homogène et de la catalyse hétérogène [7]. Il le dit en ouverture : même si l’importance et le nombre des procédés catalytiques mis en oeuvre par l’industrie pourraient justifier, à eux seuls, l’édition d’un traité sur la catalyse, ce sont les progrès dans la connaissance de la catalyse qui appellent la publication d’un traité faisant l’état des lieux à ce jour. Certes, la catalyse n’en est pas encore au stade où ses fondements scientifiques seraient fermement établis, les progrès récents, notamment la mise en relation de l’activité d’un solide avec sa structure électronique, permettent de faire un état des lieux de la question scientifique, et de brosser un tableau clair et intelligible de la théorie et la pratique de la catalyse.
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Le 2ème congrès de catalyse en 1960

Le deuxième Congrès International de Catalyse à Paris en 1960 fut un grand évènement organisé par la France et présidé par Marcel Prettre. Neuf cents scientifiques se réunirent à Paris, venus d’une trentaine de points du monde. Les Actes, publiés en 1961, occuperont près de 3000 pages. Après avoir rappelé les deux groupes de contributions qui ont contribué à faire avancer la connaissance du solide catalytique, Marcel Prettre signale que, malgré certains désaccords entre théorie et expérience, il faut continuer à adapter les techniques d’investigation de l’état solide aux problèmes particuliers de la catalyse : mesures électriques, spectroscopie infrarouge, calorimétrie. Il faut aussi rendre ces mesures efficaces et tenir compte, lors de l’interprétation, de l’extrême variabilité du processus selon le domaine expérimental. Si l’on est encore loin de pouvoir établir une théorie générale de la catalyse de contact, des progrès importants ont été réalisés depuis le précédent Congrès; en particulier dans la connaissance de ces composés bidimensionnels qui constituent l’étape intermédiaire. Décidément la catalyse hétérogène, malgré son extrême complexité, n’est plus si éloignée que cela de la catalyse homogène, ni dans la représentation qu’elle donne des étapes intermédiaires, ni dans l’état des connaissances.