La cinétique d’une réaction chimique

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cinétique d'une réaction chimique

L’étude de la cinétique d’une réaction chimique, c’est l’étude la vitesse de cette réaction. Dans cet article, nous allons revoir la distinction entre réaction lente et rapide, puis les différentes méthodes de suivi des réactions et enfin nous nous intéresserons à la catalyse des réactions.

A la fin de cet article vous devez donc maîtriser :

  • la définition d’une réaction rapide/lente
  • les méthodes de suivi d’une réaction lente
  • la définition d’un temps de demie réaction et d’une vitesse cinétique
  • la définition d’un catalyseur et les exemples classiques

Réaction rapide vs réaction lente

Une réaction est rapide si elle ne peut pas être suivie à l’œil nu ou avec un appareil de mesure usuel. Dès que les réactifs sont mélangés, l’état final est atteint instantanément. Exemple c’est le cas des réactions de précipitations, des réactions d’acide/base, des réactions explosives…

Une réaction est au contraire lente si elle peut être suivie à l’œil nu ou avec un appareil de mesure usuel. Elle peut en effet durer de quelques minutes à quelques années. C’est par exemple le cas des réactions d’oxydoréductions, la formation de la rouille, le vieillissement du vin …

Les méthodes de suivi d’une réaction lente

Dans le cas d’une réaction lente on peut mettre en place des méthodes de suivi qui nous permet d’obtenir une relation du type

$$ \xi = f(t) $$

On cherche à écrire l’avancement de la réaction, noté \xi, comme une fonction du temps.

On dispose de méthodes qualitative comme la chromatographie sur couche mince (CCM) qui permet de s’assurer de la formation des produits mais ne permets pas de suivre la vitesse de réaction.

Il y a également des méthodes quantitatives qui permettent de déterminer la concentration d’une espèce et donc de remonter à la vitesse de réaction

  • des méthodes chimiques comme le dosage ou le titrage
  • des méthodes physiques
    • la spectrophotométrie : mesure l’absorbance d’une solution puis avec la loi de Beer Lambert on remonte à une concentration, on l’utilise donc quand la couleur de la solution varie au cours de la réaction
    • la conductimétrie : on mesure la capacité de la solution à conduire le courant, on l’utilise quand on est en présence d’ions
    • la manométrie : on mesure la pression, on l’utilise quand on est en présence de gaz puis on utilise l’équation des gaz parfaits pV=nRT pour remonter à la concentration

Temps de demi réaction, durée totale et vitesse de réaction

On définit le temps de demi réaction d’une réaction et on le note t_{\frac{1}{2}} comme la durée au bout de laquelle l’avancement est égal à la moitié de l’avancement à l’état final.

A t_{\frac{1}{2}} , on a donc \xi_{\frac{1}{2}}=\frac{\xi_{max}}{2}

On peut estimer la durée totale de la réaction par t_{final} \approx 7 t_{\frac{1}{2}}

On définit une vitesse volumique de réaction, comme la dérivée de l’avancement au cours du temps divisé par le volume du milieu.

$$v = \frac{1}{V} \frac{\mathrm{d} \xi}{dt}$$

Dans cette formule :

  • v est la vitesse en mol.L^{-1}.s^{-1}
  • V est le volume en L
  • Ensuite nous avons \xi qui est l’avancement en mol
  • t est enfin le temps en s

La vitesse est maximale à t=0 elle diminue ensuite pour s’annuler quand l’état final est atteint.

Les facteurs cinétiques

Un facteur cinétique est une grandeur ou un paramètre qui a une influence sur la vitesse de la réaction et donc sa durée. Voici 2 exemples de facteurs cinétiques

La température

En augmentant la température du milieu réactionnel, on favorise l’agitation thermique, et donc la rupture de liaisons existantes ou la formation de nouvelles liaisons.

La température est donc un facteur cinétique.

Exemple : pour conserver des aliments on baisse la température pour bloquer certaines réactions.

La concentration initiale des réactifs

A toutes conditions égales l’augmentation de la concentration initiale des réactifs permet de diminuer le temps de réaction et donc d’augmenter la vitesse de réaction.

La catalyse

Catalyser une réaction cela veut dire l’accélérer. Il existe 3 types de catalyse :

  • hétérogène le réactif et le catalyseur ne sont pas dans la même phase par exemple liquide/solide
  • enzymatique, le catalyseur est une enzyme
  • homogène, le réactif et le catalyseur sont dans la même phase par exemple liquide

Exemple on s’intéresse a la dismutation de l’eau oxygénée H_20_2.
On met en jeu 2 couples redox :
H_2O_2/ $H_20$
O_2/H_2O_2

L’équation est donc 2H_2O_2 -> 2H_2O+O_2

Catalyse homogène

Catalysons la réaction en introduisant des ions Fe^{3+}/Fe^{2+}.

La réaction se décompose en 2 étapes
Etape 1 2 Fe^{3+} + H_2O_2 -> 2 Fe^{2+} + O_2 + 2H^+
Etape 2 2 Fe^{2+} + H_2O_2 + 2H^+ -> 2 Fe^{3+} + 2H_20

Equation bilan 2H_2O_2 -> O_2 + 2H_2O, on retrouve bien l’équation de base

Ces 2 réactions sont plus rapides que la réaction de base. On a donc bien accélérée la réaction.
On remarque que les ions ajoutées pour la catalyse d’apparaissent pas dans l’équation bilan.

Catalyse hétérogène

Une catalyse est dite hétérogène quand les réactions et le catalyseurs sont dans 2 phases différentes. Catalysons la réaction en introduisant un fil de platine. Les réactions sont liquides et le catalyseur solide.

On observe des bulles de dioxygène à la surface du fil. La transformation se fait à la surface du catalyseur qui apporte l’énergie nécessaire à la rupture des premières liaisons.
Plus la surface est importante plus la réaction est rapide.

Propriétés :

Un catalyseur est une espèce chimique qui a un rôle purement cinétique. Il en effet permet l’augmentation de la vitesse de réaction mais il ne modifie pas l’état final du système. Il participe à la transformation mais est régénéré à la fin de la réaction et par conséquent il n’apparaît pas dans l’équation bilan.

Un catalyseur est sélectif, il va favoriser une réaction particulière.

Voilà qui conclut ce récap sur la cinétique des réactions chimiques n’hésites pas à consulter nos autres fiches ou à t’entraîner sur nos annales.

A lire également : notre kit de survie en Physique-Chimie

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