Cinétique chimique vitesse réaction facteurs influençant et
Télécharger PDFChapitre 5 : Cinétique Chimique
Introduction
Qualitativement, on remarque qu’il existe : – des réactions « rapides » : par exemple les réactions de dosage, – des réactions « très rapides » voire violentes, comme les explosions, – certaines réactions sont tellement lentes qu’elles durent plusieurs années (comme la formation de la rouille), voire plusieurs siècles (comme la formation du charbon ou du pétrole).
I – Définition
1°) Cinétique Chimique
La cinétique chimique étudie la vitesse avec laquelle s’effectuent les réactions. Elle introduit donc une nouvelle variable, le temps, dans la description de l’état du système et de son évolution.
2°) Vitesse de Réaction pour un Système Fermé
Considérons la réaction suivante :
a A + b B ⇄ c C + d D
À tout moment, on observe la disparition des molécules de réactifs A et B et l’apparition des molécules des produits C et D.
La vitesse d’une réaction représente, pour un système liquide, la variation de la concentration des réactifs ou des produits par unité de temps.
Pour les réactifs :
V = -1/a (d[A]/dt)
V = -1/b (d[B]/dt)
Pour les produits :
V = 1/c (d[C]/dt)
V = 1/d (d[D]/dt)
II – Facteurs Influant sur la Vitesse de Réaction
Certaines variables peuvent accélérer ou ralentir les réactions :
- La concentration des réactifs : la vitesse augmente généralement avec la concentration des réactifs.
- La température : la vitesse d’une réaction augmente habituellement avec l’élévation de la température.
1°) Expression de la Vitesse de Réaction
La vitesse globale d’une réaction est proportionnelle à une certaine fonction de la concentration des réactifs. Expérimentalement, elle peut s’exprimer sous la forme :
V = k f(C)
où k est appelée constante de vitesse : elle dépend uniquement de la température.
L’influence de la température a été établie par Arrhenius. La relation qui porte son nom relie la température à la constante de vitesse :
k = A e^(-Ea/RT)
avec :
- A : constante indépendante de la température
- R : constante des gaz parfaits (8,3143 J·K⁻¹·mol⁻¹)
- T : température exprimée en kelvin
- Ea : énergie d’activation (J·mol⁻¹)
L’énergie d’activation représente l’énergie qu’il faut fournir aux réactifs (chaleur, radiation UV, etc.) pour qu’ils puissent réagir et former les produits.
Remarque : Pour déterminer expérimentalement Ea, il faut tracer le graphique Ln(k) = f(1/T).
2°) Ordre de Réaction
La vitesse d’une réaction dépend de la concentration des réactifs. La loi de vitesse permet d’exprimer quantitativement cette influence.
Pour une réaction hypothétique du type : aA + bB → cC + dD, la loi des vitesses de réaction s’exprime comme suit :
V = k [A]^x [B]^y
où A et B sont les réactifs, et x et y les ordres partiels de la réaction. L’ordre global est la somme x + y.
Détermination de l’Ordre d’une Réaction
A – Réaction d’Ordre 1
On considère uniquement les réactions à un seul réactif (A → produits).
Exemple : N₂O₅ → N₂O₄ + ½ O₂.
Concentration en fonction du temps : loi de vitesse intégrée
Pour une réaction d’ordre 1, la vitesse est proportionnelle à la concentration du réactif :
V = -d[A]/dt = k [A]
Cette expression peut se réécrire sous la forme d’une droite linéaire :
Ln[A] = Ln[A]₀ - k t
où :
- -k est la pente de la droite
- t est le temps en minutes
- Ln[A]₀ est l’ordonnée à l’origine
La concentration du réactif suit une décroissance exponentielle :
[A] = [A]₀ e^(-k t)
B – Réactions d’Ordre Zéro et d’Ordre 2
Les réactions d’ordre zéro ont une vitesse indépendante de la concentration des réactifs :
V = -d[A]/dt = k
La loi intégrée devient :
[A] = [A]₀ - k t
où la pente est -k et l’ordonnée à l’origine est [A]₀.
Pour une réaction d’ordre 2, la vitesse est proportionnelle au carré de la concentration du réactif A :
V = -d[A]/dt = k [A]²
La loi intégrée s’écrit :
1/[A] = 1/[A]₀ + k t
où :
- la pente est k
- l’ordonnée à l’origine est 1/[A]₀
Si le graphique de 1/[A] en fonction du temps est une droite, la réaction est d’ordre 2 par rapport à A.
Résumé des Méthodes pour Déterminer l’Ordre d’une Réaction
Pour une réaction a A → produits, on peut suivre ces étapes :
- Tracer le graphique [A] = f(t) : si c’est une droite de pente négative, la réaction est d’ordre zéro.
- Si ce n’est pas une droite, tracer Ln[A] = f(t) : si c’est une droite de pente négative, la réaction est d’ordre 1.
- Si ce n’est pas une droite, tracer 1/[A] = f(t) : si c’est une droite de pente positive, la réaction est d’ordre 2.
La Demi-Vie
La demi-vie est le temps nécessaire pour que la moitié de la concentration initiale du réactif A réagisse.
Pour une réaction d’ordre zéro :
[A] = [A]₀ - k t
À la demi-vie, ½[A]₀ = [A]₀ - k t₁/₂, donc :
t₁/₂ = [A]₀ / (2k)
La demi-vie est proportionnelle à la concentration initiale du réactif A.
Pour une réaction d’ordre 1 :
Ln[A] = Ln[A]₀ - k t
À la demi-vie, Ln(½[A]₀) = Ln[A]₀ - k t₁/₂, donc :
t₁/₂ = Ln(2) / k
La demi-vie est indépendante de la concentration initiale du réactif A.
Pour une réaction d’ordre 2 :
La demi-vie se calcule par la relation :
t₁/₂ = 1 / (k [A]₀)
La demi-vie est inversement proportionnelle à la concentration initiale du réactif A.
Résumé des Lois de Vitesse Intégrées et Demi-Vies
| Ordre de la réaction | Loi de vitesse intégrée | Demi-vie (t₁/₂) | Unité de la constante de vitesse (k) |
|---|---|---|---|
| 0 | [A] = [A]₀ - k t | t₁/₂ = [A]₀ / (2k) | mol·L⁻¹·s⁻¹ |
| 1 | Ln[A] = Ln[A]₀ - k t | t₁/₂ = Ln(2) / k | s⁻¹ |
| 2 | 1/[A] = 1/[A]₀ + k t | t₁/₂ = 1 / (k [A]₀) | L·mol⁻¹·s⁻¹ |
FAQ
1. Qu’est-ce que la cinétique chimique ?
La cinétique chimique est l’étude de la vitesse à laquelle se déroulent les réactions chimiques, en intégrant la variable temps pour décrire l’évolution d’un système.
2. Comment déterminer l’ordre d’une réaction ?
Pour déterminer l’ordre d’une réaction, on trace généralement trois types de graphiques : [A] = f(t), Ln[A] = f(t), et 1/[A] = f(t). Selon que le graphique obtenu est une droite, on identifie l’ordre de la réaction.
3. Que représente l’énergie d’activation ?
L’énergie d’activation est l’énergie minimale nécessaire pour que les réactifs puissent réagir et former les produits. Elle influence directement la vitesse de la réaction.