Chapitres
Les réactions chimiques régissent de nombreux phénomènes physiques et chimiques de la vie quotidienne. Plusieurs notions sont à voir pour mieux les comprendre. Que ce soit au niveau de l'avancement de la réaction, de sa vitesse ou de sa stabilité. La réaction chimique est un processus facile à comprendre quand on en saisit le fonctionnement du début à la fin.
L'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 stœchiométriques.
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.
Tableau d'avancement d'une réaction
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.
Vitesse de réaction
Il existe un calcul, celui de la vitesse volumique de réaction, qui permet de définir la vitesse à laquelle une réaction chimique s'effectue.
Elle se calcule comme ceci :
\[ v = \frac {ab} {cd} \frac { \text {d} x } { \text {d} t} \]
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).
Quelques cas particuliers
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.
Déterminer la vitesse de réaction
Nous allons maintenant voir la méthode pour déterminer la vitesse de réaction. Pour cela, quelques données sont nécessaires. Tout d'abord, il faut connaître V et la fonction x=f(t). Cette fonction peut s'obtenir de différentes façons :
- 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.
Deux méthodes s'offrent à vous pour déterminer la vitesse de réaction. La méthode par graphique ou la méthode par le calcul.
Méthode graphique
Pour obtenir graphiquement la vitesse de réaction d'une réaction chimique, 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) ;
Méthode par le calcul
Pour la méthode par le calcul, le plus simple sera d'utiliser un tableur calcule directement la vitesse v à partir des valeurs de V, ti et xi.
Augmenter la vitesse de réaction
En chimie, un catalyseur est un élément d'une réaction qui augmente 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.
Les réactions nucléaires
Un noyau radioactif est un noyau instable ( noyau père ) qui peut se désintégrer spontanément en donnant un autre noyau fils, et en émettant une particule ( noyau d'hélium, électron ou positon ) et un rayonnement γ.
C'est donc l'excès de neutrons qui rend le noyau instable. La radioactivité est donc la transformation d'un noyau instable en un noyau stable avec l'émission d'un rayonnement. On considère que les noyaux à faible nombre de masse ( A < 20 mais il existe néanmoins des exceptions ) et donc à N=Z sont des noyaux considéré comme relativement stable.
La radioactivité correspond à un phénomène physique au cours duquel des noyaux atomiques considérés comme instables, on les appelle alors radionucléides ou encore radioisotopes, se transforment, et ce de façon spontanée, en d'autres atomes tout en émettant par la même occasion des particules de matières comme des électrons, des noyaux d'hélium ou encore des neutrons et en émettant de l'énergie sous la forme de photons et d'énergie cinétique. On appelle cela une désintégration.
On appelle alors l'émission de particules, qu'elles soient matérielles ou immatérielles, rayonnement et on est capable de parler de rayonnements ionisants car l'énergie des particules est telle qu'elle est capable d'entraîner la ionisation de la matière traversée. Il existe alors différents types de rayonnement que l'on listera un peu plus tard.
La radioactivité présente des effets sur les organismes subissant des rayonnements ionisants, on parle alors d'irradiation. Cependant, ces effets dépendent du niveau, mais aussi de la durée de l'exposition, qui peut être aiguë ou encore chronique, de la nature du rayonnement mais également de la localisation de la radioactivité. En effet, les effets ne seront pas les mêmes si l'exposition est interne que si l'exposition était externe ou encore en surface.
Les rayonnements provoqués par les substances radioactives sont très largement utilisés dans les différentes industrie, notamment en ce qui concerne le contrôle de pièces manufacturées, les soudures, l'usure ou même à faible dose en médecine afin de déterminer un diagnostic ou dans une visée thérapeutique afin de soigner les cancers. Dans tous les cas, il est évident qu'il est nécessaire de suivre des mesures de prévention, de protection mais également de contrôle qui resteront adaptés au niveau de radioactivité observé.
La radioactivité bêta
La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité – quand c’est un électron qui est émis.
La radioactivité alpha
La radioactivité alpha est un rayonnement provoqué par une désintégration alpha qui est une désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha qui se transforme en un autre noyau dont le nombre de masse est diminué de 4 et le numéro atomique de 2 à cause de la particule alpha manquante qui est analogue au noyau d’hélium 4.
La radioactivité gamma
La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plu souvent, ces désintégrations accompagnent des désintégrations alpha ou bêta. En effet, quand il émet un rayon alpha ou bêta, le noyau devient excité. Lors de l’émission d’un rayonnement électromagnétique gamma, le noyau peut donc redescendre à un état plus stable.
Les réactions chimiques appliquées à notre vie
Connaître et contrôler la vitesse de réaction des espèces chimiques nous sert dans beaucoup de domaines.
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.
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 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.
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 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.
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.
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