Chapitre 9 : (Cours) Cinétique de réaction et catalyse

« Chapitre 9 : (Cours) Cinétique de réaction et catalyse I. Cinétique chimique I.1.

Transformations lentes et rapides Une réaction est dite instantanée lorsque l'évolution du système s'effectue en une durée inférieure à celle de la persistance rétinienne (0,1 seconde environ) Exemples : - réaction de précipitation du chlorure d'argent - réaction acido-basique (dosage d’un acide par une base, par ex.) Une réaction est dite lente si elle dure de quelques secondes à quelques années. Exemples : - réaction d'oxydoréduction entre les ions permanganate et l'acide oxalique (quelques minutes) - réaction d'oxydoréduction entre le dioxygène de l'air et le fer qui donne de l'oxyde de fer (la rouille) La durée d'évolution des systèmes chimiques est variable : la cinétique chimique est l'étude du déroulement temporel des transformations chimiques. I.2.

Temps de demi-réaction / durée d’une transformation Définition : Le temps de demi-réaction, noté t1/2, est la durée au bout de laquelle l’avancement x atteint la moitié de sa valeur maximale : x = xmax / 2. Pour déterminer le temps de demi-réaction d’une transformation chimique, il faut :  tracer la courbe x(t) x  déduire de la courbe ou calculer xmax (mol)  déterminer le temps t1/2 correspondant à xmax / 2 xmax Le temps de demi-réaction permet d’évaluer le temps nécessaire à l’achèvement de la transformation chimique étudiée. On peut considérer qu’une transformation est terminée après un temps t > 7 t1/2. xmax / 2 t (s) t1/2 II. Facteurs cinétiques On appelle facteurs cinétiques les paramètres contrôlables susceptibles de modifier la durée d’une transformation. II.1.

Influence de la température Plus la température du milieu réactionnel augmente, plus la durée de la transformation est faible. Explication : x (mol) T=40°C T=20°C Au niveau microscopique, une transformation chimique résulte des chocs efficaces (énergie suffisante pour rompre les liaisons chimiques) entre réactifs.

Mais certains chocs sont sans conséquence chimique. 0 Chapitre 9 – Structure et transformation de la matière – (Cours) Cinétique de réaction et catalyse t (s) Page 1 L’augmentation de la température se traduit au niveau microscopique par l’augmentation de l’agitation moléculaire. Il y a donc une augmentation de l’énergie cinétique des réactifs.

Les chocs sont plus énergétiques et plus fréquents. Remarque : Attention, quelle que soit la température, l’état final du système est le même c’est le temps pour l’atteindre qui va changer. II.2.

Influence de la concentration D’une manière générale, plus la concentration des réactifs dans le milieu réactionnel augmente, plus la durée de la transformation est faible. Explication : Bien que les chocs entre molécules soient aléatoires, plus la concentration des réactifs est élevée, plus la probabilité qu’ils se rencontrent est grande. Donc, la fréquence des chocs augmente, et ainsi la réaction est plus rapide. x (mol) C2>C1 C1 Remarque : Cette fois, l’état final dépend de la concentration initiale des réactifs. 0 t (s) II.3.

Autres facteurs cinétiques  La surface de contact Plus la surface de contact entre les réactifs et le solvant est élevée, plus la fréquence des chocs augmente.

Ainsi la durée de la transformation est d’autant plus faible. Par exemple, lorsqu’on dissout de l’aspirine en poudre dans l’eau, la dissolution (accompagnée du dégagement gazeux de CO2) est très rapide, comparée à la dissolution d’un cachet entier, non émietté.  L’agitation Avec un agitateur automatique, ou effectuée manuellement, l’agitation du milieu réactionnel permet de favoriser la mise en contact des réactifs et donc l’accélère.  L’éclairement Dans le cas des réactions chimiques photosensibles, il est fondamental.

Il permet d’activer des réactions en apportant un surplus d’énergie nécessaire.

Par exemple, la synthèse chlorophyllienne se réalise ainsi.  La nature du solvant Certaines hydrolyses comme celles du tertiobutyle sont beaucoup plus rapides dans l’acétone que dans l’eau.

Le solvant peut en effet interagir avec les réactifs (principalement par le biais de sa polarisation, des interactions de Van der Waals et des liaisons hydrogène) et favoriser ou empêcher leur contact ce qui accélère ou ralentit la réaction.  Les catalyseurs Voir partie III. II.4.

Applications de la cinétique chimique Connaissant les facteurs cinétiques d’une transformation chimiques, il est possible de l’accélérer ou de la ralentir en fonction des besoins.  Accélération d’une réaction : Certaines réactions, trop lentes à température ambiante, sont accélérées par une élévation de température. Ex : Cuisson des aliments, application dans l’industrie pour augmenter la productivité. Chapitre 9 – Structure et transformation de la matière – (Cours) Cinétique de réaction et catalyse Page 2  Ralentissement d’une réaction : En abaissant la température, il est possible de ralentir la plupart des transformations chimiques. Ex : Conservation des aliments dans un réfrigérateur.  Déclenchement d’une réaction : Certains mélanges comburant-combustible sont inertes à température ambiante.

Leur combustion doit être déclenchée par une élévation de température. Ex : Moteur à explosion dans une voiture.  Blocage d’une réaction : Pour bloquer une réaction, on réalise une trempe.

Ceci consiste à verser de l’eau glacée dans le mélange réactionnel.

Ainsi, la concentration des réactifs et la température sont brusquement diminués, ce qui ralentit tellement la réaction qu’on peut considérer qu’elle est bloquée. Ex : utilisation de la trempe pour doser une espèce chimique à un instant donné, ou dans l’industrie pour bloquer des réactions susceptibles de s’emballer. III.

Les catalyseurs III.1.

Définition d’un catalyseur Un catalyseur est une espèce chimique qui accélère une réaction chimique sans intervenir dans son équation. Le catalyseur modifie les étapes permettant de passer des réactifs aux produits.

Il permet, par exemple, de remplacer une réaction lente par deux réactions plus rapides.

Presque toutes les réactions biochimiques sont catalysées. III.2.

Différents types de catalyse On distingue 3 types de catalyse :  La catalyse homogène : le catalyseur et les réactifs forment un mélange homogène (ils se trouvent sous la même forme physique (solide, liquide ou gazeuse). Exemple : réaction entre les ions iodure I - et peroxodisulfate S2O32- catalysée par les ions Fe3+.  La catalyse hétérogène : le catalyseur et les réactifs forment un mélange hétérogène (ils ne se trouvent pas sous la même forme physique). Exemple.... »