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Les transformations chimiques

Une transformation chimique est la transformation d'espèces chimiques appelées réactifs en d'autres espèces chimiques appelées produits. Cette transformation s'opère par un réarrangement des éléments chimiques.

Lors de la réaction, les entités entrantes en réaction (réactifs) vont se casser par rupture de certaines liaisons et libérer des éléments chimiques ou groupes d'élément chimiques. Ces éléments ou groupes vont se combiner entre eux en formant de nouvelles liaisons donc de nouvelles espèces chimiques appelées produits. On peut dés lors écrire un schéma globale d'une transformation chimique. Attention, un changement d'état n'est pas une transformation chimique mais une transformation physique.

Lors d'une réaction chimique, l'énergie a pour habitude de diminuer. En effet, la réaction et donc l'accrochage des atomes entre eux consomme de l'énergie. L'énergie consommée par les atomes s'appelle l'énergie de liaison. Cette énergie est créée lorsque deux atomes se combinent. Ils la libèrent alors. Pour que la réaction puisse avoir lieu, il faut que l'énergie au moment où les liaisons sont cassées et que les nouvelles ne sont pas encore créées ne soit pas trop importante. Cette barrière énergétique s'appelle l'énergie d'activation. Dans le cadre d'une réaction chimique à température et pression constantes, on peut mesurer l'énergie au sein de la réaction grâce à une fonction. Celle-ci s'appelle l'enthalpie et se note H.

Durant cette transformation, on dit que le système échange de l'énergie avec le milieu extérieur. Cet échange se fait sous la forme de transfert thermique, anciennement appelé chaleur. Cette énergie échangée sous forme de transfert thermique Q dépend des conditions expérimentales dans lesquelles se produit la réaction :

  • Volume constant, on parle d'une transformation isochore, la thermodynamique montre que Q est égale à la variation d'énergie interne du système. On peut alors noter Qv = ΔU (c'est notamment le cas de la bombe calorimétrique) ;
  • Pression constante, la chaleur est égale à la variation d’enthalpie : Qp = ΔH (ce qui représente le cas très fréquent des réactions effectuées à l’air libre).
Comment évolue la masse lors d'une réaction chimique ?
La célèbre citation associée à Antoine Lavoisier énonce la chose suivante : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme". Cela signifie que lors d'une transformation chimique, il n'y a aucun changement de masse.

L'avancement d'une réaction

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.

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 :

\[\frac {x} {V} = \frac { [A] _ {0} - [A] } {a} = \frac { [B] _ {0} - [B] } {b} = \frac {[C]} {c} =\frac {[D]} {d} \]

Temps de demi-réaction

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,

\[ x = \frac { x _{max} } {2} \]

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.

Qu'est-ce qu'une demi-réaction ?
Le temps de demi-réaction peut s'apparenter au temps de demi-vie d'un élément radioactif.

La vitesse de réaction

La vitesse est une grandeur physique qui est définie par une évolution face au temps. La vitesse ne définit pas qu'uniquement la vitesse de déplacement mais peut aussi correspondre à la vitesse de réaction chimique ou encore une vitesse de séchage par exemple. En règle générale, une vitesse est égale à la division de la mesure d'une variation telle qu'une longueur, un volume ou encore un poids par la mesure du temps écoulé au cours de cette variation. L'exemple le plus simple est celui de la vitesse de déplacement. Il s'agit d'une distance divisée par un temps comme les mètres par seconde ou les kilomètres par heure. En connaissant l'énergie du système qui va réagir, on peut savoir si la réaction va se produire ou non ainsi que l'énergie qui sera nécessaire pour franchir le seuil de l'énergie d'activation. Une vitesse de réaction dépendra donc de certains caractères tels que :

  • La pression : plus elle sera élevée, plus la réaction sera rapide ;
  • La température : plus la température est élevée, plus les molécules sont excitées. Elles seront donc plus rapides à réagir ;
  • Les radiations environnantes : des radiations comme les radiations électromagnétiques favorisent la cassure des liaisons entre les molécules ;
  • La concentration des molécules : plus il y a de molécules et plus il y a de collisions potentielles entre celles-ci ;
  • La surface de la réaction : plus celle-ci sera grande, plus les molécules pourront réagir rapidement ;
  • L'énergie d'activation : si elle est suffisante, alors la réaction aura lieu. Autrement, elle ne se fera pas.

On la 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).

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.

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

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.

A quoi sert le catalyseur d'une voiture ?
Dans un moteur thermique, le catalyseur permet d'accélérer la combustion des gaz d'échappement, relâchant moins de particules nocives par le pot d'échappement.

Pourquoi connaître la vitesse de réaction ?

Connaître la vitesse d'une réaction est utile dans de nombreux domaines.

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.

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.

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.

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.

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.

Comment faire du ciment ?
Afin de réaliser un bon ciment, il est iomportant de laisser réagir ses différents composants pour éviter que sa structure ne soit déstabilisée et qu'il se fragilise.

Exercices sur la vitesse de réaction

Exercice 1 : L'uréase

L’uréase est une enzyme découverte par J-B Summer en 1926. Elle joue un rôle important au sein des organismes vivants dans la décomposition d’une molécule organique, l’urée. On trouve l’uréase dans des organismes végétaux (comme le haricot sabre) mais également dans des bactéries pathogènes (telles que Helicobacter pylori).

Une enzyme est une macromolécule. Les différentes parties de cette molécule sont liées entre elles notamment par des liaisons hydrogène qui se forment plus ou moins facilement suivant la température. Ces liaisons conduisent à la formation d’une structure tridimensionnelle présentant de nombreux replis (voir image ci-contre). La réaction, que catalyse l’enzyme, se produit au sein de l’un de ces replis appelé alors site actif.

L’objectif de cet exercice est l’étude du rôle de l’uréase et de l’influence de certains paramètres sur son activité.

Données :

  • Couples acide/base : H3O+ (aq) / H2O (l) ; NH4+ (aq) / NH3 (aq) ;
  • pKa du couple NH4+ (aq) / NH3 (aq) = 9,2 .

Document 1. Influence de la température sur l’activité enzymatique

La cinétique de la réaction catalysée est directement liée à l’activité de l’uréase : plus l’activité est grande, plus la réaction est rapide. L’activité relative, représentée sur le graphe ci-dessous, est le rapport de l’activité de l’enzyme sur son activité maximale, dans des conditions fixées de température, de pH et pour une quantité d'enzyme donnée.

Condition expérimentale :

pH = 7,0 (solution tampon au phosphate de concentration molaire 20 mmol.L-1)

Activité relative (en pourcentage) de l’uréase en fonction de la température
Document 2. Influence du pH sur l’activité enzymatique
Condition expérimentale : température θ = 30°C

1. Activité enzymatique de l’uréase

L’urée (NH2 – CO – NH2) réagit avec l’eau pour former de l’ammoniac NH3 et du dioxyde de carbone.

Au laboratoire, on réalise deux expériences :

  • On dissout de l’urée dans de l’eau. Aucune réaction ne semble avoir lieu. Le temps de demi-réaction est estimé à 60 ans.
  • On dissout de l’urée dans de l’eau en présence d’uréase. Il se forme quasi-immédiatement les produits attendus. Le temps de demi-réaction vaut 2´10-5

1.1. L’uréase, un catalyseur

1.1.1. Écrire l’équation de la réaction chimique entre l’urée et l’eau.

1.1.2. Rappeler la définition du temps de demi-réaction.

1.1.3. En quoi les résultats des expériences permettent-ils de considérer l’uréase comme un catalyseur ?

1.2. Effet de la température sur l’activité enzymatique

1.2.1. Quelle est en général l’influence de la température sur la cinétique d’une réaction chimique ?

1.2.2. En utilisant le document 1, décrire l’influence de la température sur la cinétique de la réaction catalysée.

1.2.3. À l’aide du texte introductif, comment peut-on expliquer la différence entre le cas général (question 1.2.1) et celui décrit à la question 1.2.2. ?

2. L’uréase dans le milieu stomacal

La bactérie Helicobacter pylori (H.pylori) est responsable de la plupart des ulcères de l’estomac chez l’Homme. On souhaite savoir comment elle réussit à survivre dans un milieu très acide, comme l’estomac, en attendant de rejoindre la muqueuse stomacale où elle pourra se développer.

Dans la H.pylori, la réaction de production de l’ammoniac à partir de l’urée se fait selon le processus présenté dans la première partie « Activité enzymatique de l’uréase ».

2.1. Le contenu de l’estomac est un milieu très acide qui peut être considéré comme une solution d’acide chlorhydrique de concentration 1,0×10-2 mol.L-1. Sachant que l’acide chlorhydrique est un acide fort, calculer le pH de ce milieu.

1.2. À ce pH, quelle espèce chimique du couple NH4+(aq) / NH3(aq) prédomine ? Justifier la réponse.

1.3. La bactérie utilise son uréase pour catalyser la réaction de l’urée avec l’eau, ainsi elle sécrète de l’ammoniac dans son environnement proche. Dans l’estomac, l’ammoniac réagit avec les ions H3O+ selon l’équation chimique : NH3(aq) + H3O+(aq)  NH4+(aq) + H2O(l).

Quelle est la conséquence de la sécrétion d’ammoniac par la bactérie sur le pH de la solution autour d’elle ?

1.4. L’enzyme sécrétée par la bactérie H.pylori n’est pas l’uréase seule mais une association de l’uréase avec d’autres entités chimiques. En quoi le document 2 illustre-t-il le fait que l’uréase seule ne peut pas agir dans l’estomac ?

Exercice 2 : La saponification de l'éthanoate d'éthyle

1.L’éthanoate d’éthyle.

L’éthanoate d’éthyle (C4H8O2) est un liquide incolore de formule semi-développée :

1.1. Recopier la formule semi-développée sur la copie et entourer le groupement fonctionnel.

1.2. À quelle famille de composés organiques l’éthanoate d’éthyle appartient-il ?

2. Saponification de l’éthanoate d’éthyle.

C’est la réaction entre l’éthanoate d’éthyle et une solution de soude (par exemple).

L’équation chimique associée à la réaction s’écrit :

C4H8O2(aq)   +  Na+(aq)  +  HO(aq)   =  Na+(aq)  + A(aq)  +  B(aq).

2. 2 Écrire la formule semi-développée de l’espèce chimique A. Donner son nom.

2.2. La réaction est-elle limitée ou totale ?

3. Étude expérimentale de la cinétique de la saponification par conductimétrie.

À un instant choisi comme date t = 0, on introduit de l’éthanoate d’éthyle dans un bécher contenant une solution de soude. On obtient un volume V = 100,0 mL de solution où les concentrations de toutes les espèces chimiques valent c0 = 1,0 x 10 –2 mol.L-1 = 10 mol.m -3. La température est maintenue égale à 30°C. On plonge dans le mélange la sonde d’un conductimètre qui permet de mesurer à chaque instant la conductivité s de la solution. Le tableau ci-dessous regroupe quelques valeurs.

t en min059132027
σ en S.m-10,2500,2100,1920,1780,1600,1480,091

3.1. Évolution de la transformation.

Soit x(t) l’avancement de la transformation à un instant t.

Compléter le tableau fourni en annexe à rendre avec la copie.

Dans ce tableau t = ∞ correspond à un instant de date très grande où la transformation chimique est supposée terminée.

3.2. La conductimétrie.

3.2.1. Quelles sont les espèces chimiques responsables du caractère conducteur de la solution ?

3.2.2. Pourquoi la conductivité de la solution diminue-t-elle ?

Données : conductivités molaires ioniques λ en S.m².mol–1

ion Na+(aq) : λ = 5,0 x 10 –3 ; ion HO(aq) : λ = 2,0 x 10 –2 ;  ion A(aq) : λ = 4,1 x 10 –3

3.2.3. Exprimer st, valeur de la conductivité de la solution à un instant t en fonction de c0, V, x(t) et des conductivités molaires ioniques.

3.2.4. Les expressions de s0 et s¥ , valeurs de la conductivité de la solution à l’instant t = 0 et au bout d’une durée très grande, sont : s0 = ( + ).c0 ; s¥ = ( + ).c0

Justifier ces expressions.

3.2.5. Montrer que l’avancement x(t) peut être calculé par l’expression :

\[x (t) = c _{0} V \frac { \sigma_{0} - \sigma_{t} } { \sigma_{0} - \sigma_{\infty} }\]

3.3. Étude cinétique.

La relation trouvée au 3.2.5. permet de calculer les valeurs de l’avancement x(t) à chaque instant. Le graphe fourni en annexe à rendre avec la copie représente l’évolution de l’avancement x(t) en fonction du temps.

3.3.1. Donner l’expression de la vitesse volumique de réaction en précisant les unités.

3.3.2. Expliquer la méthode permettant d’évaluer graphiquement cette vitesse à un instant donné.

3.3.3. Comment évolue cette vitesse au cours de la transformation chimique ? Quel est le facteur cinétique mis en jeu ?

3.3.4. Calculer l’avancement maximal.

3.3.5. Définir le temps de demi-réaction. Trouver sa valeur à partir du graphe fourni en annexe.

3.3.6. On reproduit la même expérience à une température de 20°C.

Tracer, sur le graphe fourni en annexe à rendre avec la copie, l’allure de la courbe obtenue. On justifiera le tracé.

Annexes

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.