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Cours

P.89-91

Chapitre 4

Cours

1. Transformation chimique lente ou rapide

2. Évolution des concentrations

3. Modélisation microscopique

1
Transformation chimique lente ou rapide (⇧)

A
Cinétique

La cinétique est un pan de la chimie qui s’intéresse aux vitesses des réactions chimiques.

Les transformations chimiques peuvent avoir des vitesses très variées. Certaines nous paraissent instantanées, d’autres extrêmement lentes.

La cinétique est l’un des aspects les plus étudiés en vue d’améliorer les conditions de production de composés synthétiques à l’échelle industrielle.

Exemple : l’oxydation des ions fer

(II)

Fe^{2 +} (aq)

par le dioxygène dissous

O_{2} (aq)

est une réaction plutôt lente, tandis que les réactions acide-base sont des réactions en grande majorité quasi instantanées.

B
Catalyseurs

Les catalyseurs sont des composés chimiques utilisés pour accélérer une réaction chimique.

Le même état final est atteint, mais plus rapidement.

Ils ne sont ni consommés ni produits au bilan de la transformation : ce ne sont donc ni des réactifs ni des produits. Ils n’apparaissent pas dans l’équation‑bilan, ils réagissent au début de la transformation, mais sont reformés ensuite.

Exemple : les pots catalytiques des voitures contiennent des métaux précieux qui accélèrent les transformations des composés d’échappement vers des composés moins toxiques. Les enzymes du corps humain sont de très bons catalyseurs.

C
Facteurs cinétiques

Certains paramètres expérimentaux modifient la vitesse de réaction, à la hausse ou à la baisse. On les appelle les facteurs cinétiques.

Les plus courants sont la température, le choix du solvant, l’agitation et la concentration en réactif. Dans certains procédés, la pression ou même la lumière peuvent influer, tout comme l’état de division pour un solide (plaque, poudre, etc.).

Le plus souvent, une hausse de la température ou de la concentration augmente la vitesse de réaction.

Exemple : la réaction entre le méthane

CH_{4} (g)

et le dichlore

Cl_{2} (g)

est une réaction très lente sans rayonnement électromagnétique. Sa cinétique est fortement accélérée sous une exposition à la lumière ambiante.

Doc. 1
Wilhelm Ostwald

Le prix Nobel de chimie a été décerné à Wilhelm Ostwald en 1909 « en reconnaissance de ses travaux sur la catalyse et pour ses recherches touchant les principes fondamentaux gouvernant l’équilibre chimique et les vitesses de réaction ».

D’après Wikipedia.org.

Pas de malentendu

➜ Un catalyseur est une substance chimique. Elle n’est pas un facteur cinétique contrairement à la température ou la lumière par exemple.

Doc. 2
Influence de la température

► Si la concentration finale de l’espèce chimique en fin de réaction est la même, les cinétiques sont quant à elles différentes (

T_{1} < T_{2} < T_{3}

2
Évolution des concentrations (⇧)

A
Vitesse volumique

Pour étudier la cinétique d’une transformation, on suit l’évolution temporelle de la concentration d’une espèce

X (aq)

, réactif ou produit.

v_{X} (t) = ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ \frac{d [ X ]}{d t} ∣ ∣ ∣ ∣ ∣

v_{X} (t)

: vitesse volumique de disparition ou d’apparition de

X (aq)

(mol·L^‑1·s^‑1)

[X]

: concentration de

X (aq)

(mol·L^‑1)

t

: temps (s)

Expérimentalement, on peut donc approcher la vitesse volumique

v_{X} (t_{i})

à partir de

n

mesures de la concentration

[X]

de l’espèce chimique

X (aq)

v_{X} (t_{i}) = \frac{[ X ] ( t _{i + 1} ) - [ X ] ( t _{i} )}{t _{i + 1} - t _{i}}

Pour suivre une cinétique de réaction, on peut réaliser :

un suivi conductimétrique dans le cas d’une évolution de la concentration des ions dans le milieu réactionnel ;
un suivi spectrophotométrique dans le cas d’une évolution de l’absorbance de la solution ;
un suivi par titrage pH-métrique après trempe dans le cas d’une évolution de la concentration en ion oxonium $H_{3} O^{+} (aq)$ .

B
Temps de demi-réaction

Le temps de demi-réaction

t_{1 / 2}

est la durée nécessaire pour atteindre la moitié de l’avancement final.

Dans le cas d’une réaction totale, il s’agit du temps pour que la moitié de la quantité initiale en réactif limitant disparaisse et que la moitié de la quantité finale de produits formés apparaisse lors de la réaction.

C
Loi de vitesse d’ordre 1

Pour les réactions dites d’ordre 1 par rapport à un réactif

X (aq)

, la vitesse volumique

v_{X}

de disparition est liée à la concentration du réactif

[X]

par la relation :

v_{X} = k \cdot [X]

v_{X}

: vitesse volumique de disparition de

X (aq)

(mol·L^‑1·s^‑1)

k

: constante de vitesse (s^-1)

[X]

: concentration de

X (aq)

(mol·L^-1)

La courbe représentant l’évolution de

v

en fonction de la concentration

[X]

correspond alors à une droite passant par l’origine.

Le temps de demi-réaction d’une réaction d’ordre 1 ne dépend que de

k

, et donc de la température, mais pas de la concentration initiale en réactif.

Doc. 3
Suivi expérimental

► Ce colorimètre est utilisé pour un suivi cinétique par spectrophotométrie.

Doc. 4
Temps de demi-réaction

► Pour une réaction totale, le temps de demi‑réaction

t_{1 / 2}

est obtenu graphiquement en relevant l’abscisse du point où la moitié de la quantité de matière initiale d’un réactif est consommée.

Doc. 5
Ordre de réaction

► Pour une réaction d’ordre 1 par rapport à un réactif

X

, la courbe représentant l’évolution de la vitesse de disparition

v_{X}

en fonction de

[X]

est une droite passant par l’origine.

3
Modélisation microscopique (⇧)

A
Mécanismes réactionnels

Une transformation chimique peut être représentée comme la succession d’actes élémentaires.

Un acte élémentaire est un événement à l’échelle microscopique qui se traduit par un choc entre deux entités. Lors de cette rencontre, des liaisons se brisent, d’autres se forment et de nouvelles espèces chimiques apparaissent.

Les composés formés, puis consommés au cours des différentes étapes élémentaires sont des intermédiaires réactionnels. Ils n’apparaissent pas dans l’équation-bilan de la réaction.

Dans le mécanisme réactionnel, les flèches courbes représentent le mouvement des électrons. Ceux-ci sont orientés du site donneur (un doublet d’électrons) vers le site accepteur (un atome portant une charge partielle ou totale positive).

B
Influence d’un catalyseur

L’utilisation d’un catalyseur modifie le mécanisme réactionnel. Une étape lente est remplacée par plusieurs étapes rapides.

Cette modification du mécanisme réactionnel n’influe pas sur l’équation‑bilan : les catalyseurs consommés se reforment nécessairement au cours du mécanisme.

C
Théorie des collisions

Pour qu’il y ait une réaction, il faut des chocs (ou collisions) entre entités chimiques au niveau microscopique. Chaque collision n’aboutit pas à une réaction. L’efficacité indique le nombre de réactions par rapport au nombre de collisions.

Plus les collisions sont fréquentes, plus la réaction est rapide. Certains paramètres physico-chimiques permettent d’augmenter le nombre de collisions comme la concentration en réactif ou la température.

Vocabulaire

Mécanisme

Mécanisme : le mécanisme d’une transformation chimique est le détail des étapes élémentaires la constituant.

Doc. 6
Nickel de Raney

Le nickel de Raney est produit en traitant un morceau d’alliage nickel-aluminium par la soude concentrée. Au cours de ce traitement appelé « activation » ou « lixiviation », la majeure partie de l’aluminium de l’alliage [réagit et passe en solution sous forme d’ion aluminium

Al^{3 +} (aq)

]. La structure poreuse qui en résulte possède une surface spécifique très importante, ce qui contribue à son efficacité en catalyse.

D’après Wikipedia.org.

Supplément numérique

Visualisez l’influence des facteurs cinétiques sur l’animation.

Doc. 7
Mécanisme réactionnel d’une estérification

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Cours

1. Transformation chimique lente ou rapide 2. Évolution des concentrations 3. Modélisation microscopique

1Transformation chimique lente ou rapide (⇧)

ACinétique

BCatalyseurs

CFacteurs cinétiques

Doc. 1Wilhelm Ostwald

Pas de malentendu

Doc. 2Influence de la température

2Évolution des concentrations (⇧)

AVitesse volumique

BTemps de demi-réaction

CLoi de vitesse d’ordre 1

Doc. 3Suivi expérimental

Doc. 4Temps de demi-réaction

Doc. 5Ordre de réaction

3Modélisation microscopique (⇧)

AMécanismes réactionnels

BInfluence d’un catalyseur

CThéorie des collisions

Vocabulaire

Mécanisme

Doc. 6Nickel de Raney

Supplément numérique

Doc. 7Mécanisme réactionnel d’une estérification

1. Transformation chimique lente ou rapide

2. Évolution des concentrations

3. Modélisation microscopique

1
Transformation chimique lente ou rapide (⇧)

A
Cinétique

B
Catalyseurs

C
Facteurs cinétiques

Doc. 1
Wilhelm Ostwald

Doc. 2
Influence de la température

2
Évolution des concentrations (⇧)

A
Vitesse volumique

B
Temps de demi-réaction

C
Loi de vitesse d’ordre 1

Doc. 3
Suivi expérimental

Doc. 4
Temps de demi-réaction

Doc. 5
Ordre de réaction

3
Modélisation microscopique (⇧)

A
Mécanismes réactionnels

B
Influence d’un catalyseur

C
Théorie des collisions

Doc. 6
Nickel de Raney

Doc. 7
Mécanisme réactionnel d’une estérification