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Suivi temporel d’une réaction chimique : modèle macroscopique

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Réaction rapide ou lente

  • Une réaction est rapide si l’évolution du système chimique s’effectue en une durée trop courte pour être suivie « à l’œil nu » ou avec un appareil de mesure classique.
  • Dès que les réactifs sont mis en contact, la formation des produits nous semble instantanée et la réaction paraît terminée.
  • Une réaction est lente si l’évolution du système chimique peut être suivie « à l’œil nu » ou avec un appareil de mesure classique pendant un certain temps.
  • Les produits apparaissent progressivement pendant une durée qui peut aller de quelques secondes à plusieurs heures.

Influencer la vitesse d’une réaction chimique

Facteurs cinétiques

  • Un facteur cinétique est un paramètre qui modifie la durée d’évolution de la réaction.
  • Il existe de nombreux facteurs cinétiques, mais voici les deux principaux à connaître :
  • la température : son augmentation dans le milieu réactionnel accélère la réaction chimique et inversement ;
  • la concentration des réactifs : l’augmentation des concentrations des réactifs accélère la réaction chimique.

La catalyse

  • Un catalyseur est une espèce chimique qui accélère une réaction chimique, mais qui n’apparaît pas dans l’équation de la réaction. Il ne modifie pas le sens d’évolution d’un système et ne modifie pas la composition finale du système.
  • Un catalyseur est spécifique d’un type de réaction et peut également être sélectif.
  • La catalyse homogène
    Le catalyseur et les réactifs forment un mélange homogène. C’est le cas lorsque le catalyseur et les réactifs sont gazeux ou lorsqu’ils sont en solution (une seule phase liquide).
  • La catalyse hétérogène
    Le catalyseur et les réactifs forment un mélange hétérogène. C’est le cas lorsque le catalyseur est solide et les réactifs gazeux ou en solution aqueuse.
  • La catalyse enzymatique
    Le catalyseur est une enzyme (protéine), essentiellement dans des réactions biochimiques.

Suivi temporel d’une transformation chimique

Vitesse instantanée Vitesse volumique instantanée
Formation d’un produit V(P)=dn(P)dtV(P)=\frac{dn(P)}{dt} vP=d[P]dtvP=\dfrac{d\left[P\right]}{dt}
Disparition d’un réactif V(R)=dn(R)dtV\left(R\right)=-\frac{dn\left(R\right)}{dt} vR=d[R]dtvR=-\dfrac{d\left[R\right]}{dt}
Unité mols1\text{mol}\cdot\text{s}^{-1} molL1s1\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}
  • Pour des réactions qui s’effectuent à volume constant, on préfère utiliser les concentrations plutôt que les quantités de matière.
  • Méthode graphique pour déterminer vPv_P :
  • on trace la tangente à la courbe [P]=f(t)[P] = f(t) à un instant tt donné ;
  • on détermine la pente de la tangente à la courbe [P]=f(t)[P] = f(t) à l’instant tt afin d’obtenir la vitesse volumique de formation du produit PP à l’instant tt :
    vP=Pentev_P=Pente.
  • Méthode graphique pour déterminer vRv_R :
  • on trace la tangente à la courbe [R]=f(t)[R] = f(t) à un instant tt donné ;
  • on détermine la pente de la tangente à la courbe [R]=f(t)[R] = f(t) à l’instant tt afin d’obtenir la vitesse volumique de disparition du réactif RR à l’instant tt :
    vR=Pentev_R=-Pente.
  • Le temps de demi-réaction t1/2t{1/2} correspond à la durée au bout de laquelle l’avancement xx de la réaction est égal à la moitié de l’avancement final xfxf.
    Lorsque la réaction est totale, xf=xmaxxf = x{\text{max}}.
  • Ainsi, à t=t1/2t = t{1/2}, nous avons x=xmax2x= \dfrac{x{\text{max}}}{2}.
  • Méthode graphique pour déterminer t1/2t_{1/2} :
  • on détermine xmaxx{\text{max}}, puis xmax2\dfrac{x{\text{max}}}{2} ;
  • on reporte sur la courbe x=f(t)x = f(t) le point d’ordonnée xmax2\dfrac{x{\text{max}}}{2} et on détermine le temps de demi-réaction t1/2t{1/2} sur l’axe des abscisses.

Loi de vitesse d’ordre 1

  • Réaction d’équation : ABA\longrightarrow B.
  • Si cette réaction est d’ordre 1 par rapport au réactif AA, la loi de vitesse de cette réaction s’écrit : v=k[A]v=k[A]
  • La réaction d’équation ABA\longrightarrow B suit une loi de vitesse d’ordre 1, si sa vitesse de disparition évolue de façon proportionnelle à sa concentration.
  • Pour vérifier que la réaction d’équation ABA\longrightarrow B suit une loi de vitesse d’ordre 1, il faut tracer la fonction : ln[A]=f(t)ln\left[A\right]=f\left(t\right).
  • Si la réaction est d’ordre 1, on doit obtenir une droite de pente k-k.