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La cinétique chimique

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Introduction :

Ce cours porte sur la cinétique chimique.

Dans un premier temps nous étudierons la durée d’une réaction chimique.

Dans un deuxième temps nous verrons les différents facteurs pouvant influer sur la vitesse d’une réaction.

Enfin, nous aborderons la notion de catalyse.

Durée d’une réaction chimique

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Définition

Cinétique chimique :

La cinétique chimique est l’étude de l’évolution dans le temps d’un système chimique. On s’intéresse ici à la durée nécessaire pour qu’il passe d’un état initial à un état final.

Réaction lente, réaction rapide

Pour différencier ces deux types de réaction, il faut connaître approximativement la vitesse de la réaction étudiée :

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Définition

Réaction lente :

Une réaction est dite lente si l’évolution d’un de ses paramètres physiques, comme par exemple sa couleur, sa pression ou sa conductivité, peut être apprécié à l’œil nu ou par un appareil de mesure classique, comme par exemple un manomètre ou un spectrophotomètre.

La plupart des réactions de chimie organique sont lentes, comme les réactions de dissolution de solide.

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Exemple

On peut utiliser comme exemple la dissolution d’un cachet dans l’eau.

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À retenir

Les réactions chimiques qui n’évoluent pas après plusieurs jours sont dites infiniment lentes, ou cinétiquement inertes.

On peut utiliser comme exemple la rouille.

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Définition

Réaction rapide :

En revanche, une réaction chimique est dite rapide si sa durée est inférieure à un dixième de seconde (c’est la durée de persistance rétinienne, ce qui signifie qu’un événement de moins de un dixième de seconde ne peut pas être perçu par l’œil humain).

C’est le cas des tests de caractérisation chimiques des ions, mais aussi d’une partie des réactions d’oxydo-réduction.

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Exemple

Réaction d’oxydo-réduction des ions cuivre et fer

On peut voir à gauche le test d’identification caractéristique des ions Cu2+\text{Cu}^{2+}, et à droite celui des ions Fe3+\text{Fe}^{3+} par les ions hydroxydes.

Suivi temporel d’une réaction chimique

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Définition

Suivi temporel :

Le suivi temporel d’une réaction chimique consiste à connaitre à chaque instant l’état du système chimique étudié.

  • Cela revient à tracer la courbe de l’évolution des concentrations ou des quantités de matière d’un réactif ou d’un produit en fonction du temps.
  • Le suivi temporel d’un réactif présentera une courbe décroissante (puisqu’il est « consommé » lors de la réaction), alors que celui d’un produit présentera une courbe croissante (puisqu’il est « créé » au fur et à mesure de la réaction).

Pour déterminer ces concentrations ou quantités de matière, on utilisera des appareils de mesures en continu, comme par exemple un spectrophotomètre, un pH-mètre ou un conductimètre, ou en prélevant à des intervalles réguliers un échantillon du milieu et en le dosant.

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Exemple

Suivi temporel d’un réactif et d’un produit

Voici l’exemple d’une réaction quelconque : A+BC+DA + B → C + D.

Sur ce graphique, la concentration du réactif AA décroit de sa concentration initiale [A]0[A]0 à sa concentration finale. Si la réaction est totale (ce qui signifie que la réaction continuera d’opérer jusqu’à la disparition totale d’un des réactifs), [A]finale[A]{finale} sera de 0.

Alors qu’au contraire, la concentration du produit CC croit (de sa concentration initiale [C]0[C]_0 à sa concentration finale).

Temps de demi-réaction

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Définition

Temps de demi-réaction :

Le temps de demi-réaction, noté t1/2t{1/2}, est la durée que met le système pour atteindre l’avancement x(t1/2)x(t{1/2}) de la réaction, qui correspond à la moitié de l’avancement final xfxf.
Soit : x(t1/2)=xf2x(t
{1/2})=\frac {x_f}{2}

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Attention

Si la vitesse de réaction n’est pas constante (et ce sera toujours le cas), alors t1/2tfinal2t{1/2} \neq \frac{t{final}}{2}

On détermine x(t1/2)x(t{1/2}) par l’abscisse du point d’ordonnée xf2\frac{xf}{2}.

Dans la pratique, l’avancement du réactif limitant t1/2t_{1/2} est propre à la fois à une réaction et à un réactif au sein de celle-ci).

La valeur t1/2t{1/2} est caractéristique du système étudié (de la réaction chimique). Expérimentalement, on sait qu’une réaction cesse pratiquement d’évoluer au bout d’une durée de quelques t1/2t{1/2} (d’une dizaine à quelques dizaines en fonction de la réaction étudiée).

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Exemple

Sur cet exemple, on voit la détermination du t1/2t_{1/2} :

Détermination du temps de demi-réaction

Facteurs cinétiques

Des paramètres expérimentaux peuvent modifier la durée d’évolution du système chimique.

  • Tous les autres paramètres étant maintenus constants, ces paramètres sont appelés facteurs cinétiques.
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À retenir

L’augmentation de la température du système réactionnel diminue la durée d’évolution du système (donc accélère la vitesse de réaction), alors que sa diminution augmente la durée d’évolution du système (donc ralentit la vitesse de réaction).

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Attention

Cette affirmation est vraie la plupart du temps, mais il existe certains types de réaction ou c’est le contraire!

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Exemple

Par exemple, mettre des aliments dans un réfrigérateur augmente le temps de pourrissement de ceux-ci.

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À retenir

L’augmentation de la concentration d’un réactif diminue la durée d’évolution du système. Sa diminution augmente la durée d’évolution du système.

Cela explique pourquoi une réaction ne finit pas en 2×t1/22 \times t{1/2}, car à t1/2t{1/2}, le réactif limitant atteint la moitié de sa concentration initiale. Étant donné que le réactif est moins présent dans la solution, sa capacité à rencontrer les autres composants pour réagir avec eux est diminuée.

  • Donc la vitesse de réaction est de moins en moins importante.
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À retenir

Plus la surface de contact d’un réactif solide est grande, plus la durée de réaction diminue, et inversement.

C’est un corollaire de la concentration comme facteur cinétique, plus la surface de contact est grande plus la réaction est rapide.

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À retenir

Le solvant, même s’il est inerte chimiquement par rapport à la réaction, peut modifier la vitesse de la réaction.

Il peut intervenir en solubilisant mieux les réactifs et en favorisant les contacts.

Enfin, la présence d’un catalyseur peut fortement diminuer la durée d’une réaction.

La catalyse

Mode d’action

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Définition

Catalyseur :

Un catalyseur est une espèce chimique, qui accélère ou oriente une réaction sans modifier l’état final du système chimique. De plus, il est consommé au cours de la réaction, mais régénéré à la fin de la réaction, il n’apparaît pas dans le bilan.

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Exemple

Par exemple les enzymes sont des catalyseurs biologiques qui catalysent toutes les réactions chimiques du vivant.

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Définition

Sélectivité du catalyseur :

Un catalyseur peut être sélectif et orienter différemment un système chimique par rapport à un autre catalyseur. C’est la sélectivité du catalyseur.

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Exemple

Par exemple, deux enzymes différents peuvent lier différemment deux sucres entre eux.

Plus la concentration en catalyseur est forte, plus la réaction sera accélérée, même si un catalyseur peut agir même en faible quantité.

Un catalyseur peut parfois donner l’impression de changer la réaction.
En réalité, lorsqu’on met en présence plusieurs produits chimiques, il y a plusieurs réactions (assemblages) qui se font en même temps. Certaines réactions se font en quantité très importante, d’autres en quantité infime.

  • On dit dans ce cas que les réactions sont en concurrence. La présence d’un catalyseur peut favoriser une réaction par rapport à une autre, et donc donner l’impression que le produit fini est différent.

Différent types de catalyseurs

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Définition

Catalyse homogène :

La catalyse est homogène si le catalyseur est dans la même phase que les réactifs.

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Exemple

Par exemple, les ions H3O+\text{H}_3\text{O}^+ en solution accélèrent la réaction d’estérification.

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Définition

Catalyse hétérogène :

La catalyse est hétérogène si le catalyseur n’est pas dans la même phase que les réactifs.

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Exemple

Par exemple, les pots catalytiques sont des particules solides dans les pots d’échappements qui détruisent les gaz nocifs émis dans un moteur diesel.

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Définition

Catalyse enzymatique :

La catalyse est enzymatique lorsque le catalyseur est un enzyme.

La catalyse enzymatique est un cas particulier de catalyse homogène.

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Exemple

La glucokinase est une enzyme qui intervient dans le métabolisme du glucose par exemple.