Chapitres
Remarque préalable:
Pour assimiler convenablement les notions et les techniques présentées dans ce chapitre, il est absolument indispensable d'étudier très soigneusement les deux TP de chimie:
- "Cinétique chimique" et
- "Suivi d'une cinétique chimique par spectrophotométrie".
Avancement d'une réaction chimique
Définition
Considérons la réaction chimique dont l'équation est: aA + bB 
cC + dD où A et B sont les réactifs, C et D les produits et a, b, c et d sont les nombres stoéchiométriques.
Les notations utilisées dans la suite sont résumées ci-dessous:
- x : avancement de la réaction ;
- n(A)0 : quantité de matière initiale de A ;
- n(A) : quantité de matière de A à la date t ;
- n(A)f : quantité de matière finale de A.
Il en est de même pour les autres espèces.
Le tableau d'avancement de la réaction, limité à l'état initial (E.I) et l'état à l'instant t (E.t) du système, est :
| Équation de la réaction | aA + bB cC + dD | |||
|---|---|---|---|---|
| Etat initial (mol) | n(A)0 | n(A)0 | n(C)0=0 | n(D)0=0 |
| Etat à l'instant T (mol) | n(A)=n(A)0-ax | n(B)=n(B)0-bx | n(C)=cx | n(D)=dx |
D'après le tableau précédent :
\[ x = \frac { n (A) _ {0} - n (A) } {a} = \frac { n (B) _ {0} - n (B) } {b} = \frac {n(C)} {c} =\frac {n(D)} {d} \]
Par définition, la valeur commune x de ces rapports est appelée avancement de la réaction.
Relation entre avancement et concentration molaire volumique
Considérons uniquement le cas particulier d'une réaction ayant lieu en solution aqueuse telle que le volume V de la solution soit constant.
\[ [X] = \frac {n(X)} {V} \]
- [X]: concentration molaire (en mol.L-1) ;
- n(X): quantité de matière de l'espèce X en solution (en mol) ;
- V: volume de la solution (en L).
D'après ce qui précède, en divisant tous les termes de la relation de définition de l'avancement par V :
\[\frac {x} {V} = \frac { [A] _ {0} - [A] } {a} = \frac { [B] _ {0} - [B] } {b} = \frac {[C]} {c} =\frac {[D]} {d} \]
Vitesse volumique de réaction
Définition
\[ v = \frac {ab} {cd} \frac { \text {d} x } { \text {d} t} \]
avec :
- v : vitesse volumique de réaction (en mol.m-3.s-1) ;
- V : volume de la solution (en m3) ;
- dx : variation de l'avancement (en mol) ;
- dt : durée de la variation (en s).
Remarques :
- Il arrive fréquemment que le volume V soit exprimé en litre. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.s-1 ;
- Si la transformation est lente ou très lente la durée peut être exprimée en minute ou en heure. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.min-1 ou en mol.L-1.h-1 ;
- Le rapport dx/dt représente la dérivée par rapport au temps de l'avancement.
Détermination de la vitesse volumique de réaction
Ce qu'il faut connaître pour déterminer v
D'après la relation de définition , il faut connaître V et la fonction x=f(t). Cette fonction peut être connue soit:
- Par son graphe (il est donné dans certains exercices) ;
- Par un tableau de mesures présentant les valeurs des couples {ti ; xi} (il est donné dans certains exercices) ;
- A l'aide du tableau d'avancement de la réaction. Il faut alors connaître,soit par une méthode chimique soit par une méthode physique, l'évolution de la concentration de l'un des réactifs ou de l'un des produits de la transformation. Etudier les deux TP de cinétique chimique.
Méthodes
- Graphiquement: On trace la tangente à la courbe x=f(t) à la date t choisie. La valeur du rapport dx/dt est égal au coefficient directeur de cette tangente ;
- On divise alors cette valeur par la valeur de V (volume de la solution) ;
- Par le calcul: Un tableur calcule directement la vitesse v à partir des valeurs de V, ti et xi.
Evolution de la vitesse de réaction au cours du temps
Au cours du temps les réactifs disparaissent donc leur concentration diminue. Or nous avons déjà vu que la concentration des réactifs est un facteur cinétique. Plus la concentration des réactifs est faible plus la réaction est lente. Donc, en général, au cours du temps la vitesse de réaction diminue.
Les catalyseurs
Définition
En chimie, un catalyseur est un élément d'une réaction qui augment la vitesse de réaction.
Chaque catalyseur est propre à une réaction chimique. Par exemple, un catalyseur qui accélère une certaine réaction n'aura pas forcément le même effet sur une autre.
De plus, les catalyseurs n'ont pas d'incidence sur les produits de la réaction. on utilise régulièrement comme catalyseur les zéolithes, des composants minéraux de synthèses assez proches de l'argile.
Leur utilisation la plus courante est dans les pots catalytiques des voitures. Mais on retrouve aussi fréquemment les catalyseurs dans l'industrie et la chimie.
Temps de demi-réaction
Définition
Le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l'avancement x est égal à la moitié de l'avancement final.
Si la transformation est totale, ce qui correspond à la disparition du réactif limitant, l'avancement final est l'avancement maximal alors :
Quand t = t 1/2,
\[ x = \frac { x _{max} } {2} \]
Détermination de t1/2
On calcule xmax à partir du réactif limitant dans le tableau d'avancement. On en déduit:
\[ x = \frac { x _{max} } {2} \]
En reportant cette valeur sur la courbe x=f(t) on déduit par simple lecture graphique la valeur de t1/2.
Méthodes utilisées en cinétique chimique
Il s'agit des méthodes permettant de suivre l'évolution d'une transformation chimique et en particulier de déterminer x=f(t) et la vitesse de la réaction.
Méthodes chimiques
C'est la méthode mise en œuvre dans le premier TP de cinétique chimique intitulé "cinétique chimique". Elle est peu commode pour les raisons suivantes:
- Il faut titrer soit l'un des réactifs soit l'un des produits de façon à ce qu'avec l'aide du tableau d'avancement on puisse déterminer x=f(t).
Utilisations de la vitesse de réaction chimique
Connaître la vitesse d'une réaction est utile dans de nombreux domaines.
Les moteurs à explosion
Dans les moteurs à explosion des automobiles, qu'ils soient à gasoil ou à essence, pour que la combustion soit parfaite et que le moteur fonctionne normalement, il faut comprendre la cinétique des réactions qui y ont lieu. Par extension, c'est aussi valable dans toutes les autres industries dans lesquelles le fonctionnement d'un moteur thermique est en jeu.
La cinétique des réactions dans l'industrie
La plupart des usines sont amenées à utiliser des produits chimiques chaque jour. Pour comprendre le fonctionnement de ces derniers et les mettre au service de la production, il est important de savoir à quelle vitesse auront lieu les réactions chimiques qui leurs sont associées.
La vitesse de réaction des substances médicamenteuses
Dans l'industrie pharmaceutique, il faut comprendre la cinétique des réactions afin d'anticiper les réactions des médicaments sur le corps ainsi que leur durée d'élimination et de dégradation.
Écotoxicité des mélanges
On dit d’un objet qu’il est écotoxique lorsqu’il est toxique pour l’environnement, c’est-à-dire polluant
Lorsque des mélanges chimiques sont produits, afin de surveiller leur impact en cas de fuite ou de rejet dans l'environnement, il est important de savoir à quelle vitesse ont lieu les réactions chimiques qui leurs sont inhérentes.
Bricolage et bâtiment
Les matériaux utilisés en construction tels que la brique, le pierre ou encore le bois, sans oublier les métaux, sont en proie aux réactions chimiques de l'environnement qui les entourent. Gérer leur vitesse de réaction permet donc de protéger les matériaux et accroître leur durée de vie.
La cinétique et les transformations nucléaires
Afin de comprendre et ainsi sécuriser au maximum les réactions chimiques qui ont lieu au sein des centrales nucléaires, il est utile de savoir quelle durée est nécessaire à la réalisation de certaines transformations chimiques.
Quelques exercices
Exercice 1
Prenons la réaction du bicarbonate de sodium avec de l’acide acétique (vinaigre). A une température de 22 °C et à une pression de 102,3 kPa et durant 1 minute et 26 secondes, on obtient 46,8 mL de CO2 par déplacement d'eau.
Voici l'équation qui en résulte :
NaHCO3(aq) + CH3COOH(aq)0 ➞ H2O(l) + NaCH3COO(aq) + CO2(g)
Calculez la vitesse de cette réaction en mL par seconde.
Correction 1
\[vitesse = \frac {\Delta volume} { \Delta temps }= \frac { 46,8 - 0 }{ 86 - 0 }= \frac { 46,8 }{ 86 } = 0,544\]
Donc la vitesse de réaction de mélange est de 0,544 ml/s en fonction du CO2 sous forme de gaz qui est produit.
Exercice 2
Transformer une vitesse de réaction en g/s en une vitesse de réaction en mol/s.
Si l'on sait qu'une vitesse de réaction est de 7 x 106 g/s, quelle sera sa vitesse de réaction en mol/s ?
Correction 2
\[ M = \frac {m} {n} \]
\[ n = \frac {m} {M} = \frac {7 \cdot 10 ^ {-6} } {65,38} = 1,07 \cdot 10 ^{-7} mol \]
La vitesse de réaction est donc de 7 x 10-7 mol/s.
Notez que quand il s'agit d'un solide, la vitesse de réaction se calcule en mol/s et non en mol/L.s.
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