Facteur cinétique

Qu'est-ce que la vitesse de réaction ?

Les facteurs affectant la vitesse de réaction sont des variables que nous pouvons manipuler afin d'accélérer ou de ralentir les réactions.

Les unités de la vitesse de réaction varient, mais elles sont généralement les suivantes \( mol.dm^{-3}.s^{-1} , g.cm^{-1} ou \space cm^3.s^{-1} \) .

Mesure de la vitesse de réaction

Il existe plusieurs façons de mesurer la vitesse d'une réaction. Elles dépendent des produits et des réactifs impliqués dans la réaction. Par exemple :

• Si tes réactifs sont solides, liquides ou aqueux et que l'un de tes produits est un gaz, tu peux laisser le gaz quitter le récipient de réaction et mesurer le changement de masse du récipient ;
• Tu peux également transformer le récipient de réaction en un système fermé en y attachant une seringue à gaz, puis en attrapant et en mesurant le volume de gaz dégagé ;
• Si l'un de tes produits est un précipité qui forme une suspension trouble, tu peux mesurer la lumière qui traverse la solution ;
• Tu peux également mesurer la variation du pH.

Pour chacune de ces méthodes, prends des mesures à des cours réguliers jusqu'à ce que la réaction soit terminée. Tu peux alors passer à la représentation graphique de la vitesse de ta réaction.

Représentation graphique de la vitesse de réaction

Une fois les mesures effectuées, tu peux tracer un graphique et l'utiliser pour déterminer la vitesse de la réaction à un cours donné. Le graphique prend généralement la forme d'une courbe. Voici un exemple qui mesure le volume de gaz dégagé lors d'une réaction :

Fig.1- Un graphique montrant comment le volume de gaz dégagé évolue en fonction du cours d'une réaction.

Tu remarqueras :

• La courbe est initialement abrupte. Cela signifie que le volume de gaz dégagé change rapidement. La vitesse initiale de la réaction est donc très rapide.
• La courbe se stabilise alors. Cela signifie que le taux de réaction ralentit. Lorsque tous les réactifs sont épuisés, la réaction finit par s'arrêter.

Si nous mesurons le changement de masse, le graphique est légèrement différent. La courbe commence par une valeur élevée et s'abaisse alors. Cela s'explique par le fait que la masse diminue à mesure que certains des réactifs se transforment en produits gazeux et quittent le système.

Fig.2- Graphique montrant comment la masse évolue avec le cours d'une réaction

Pour mesurer le taux global de réaction, tu divises le changement de ce que tu as mesuré, qu'il s'agisse de la masse ou du volume, par le cours de la réaction. Pour trouver le taux de réaction en un point précis, il faut tracer une tangente à la courbe et calculer son gradient.

Transformation chimique

Si tu as lu la théorie des collisions, tu connais le fait que pour réagir, les particules doivent entrer en collision avec une orientation correcte et une énergie suffisante. Cette énergie est connue sous le nom d'énergie d'activation.

La réaction entre deux particules se déroule en trois étapes.

1. Premièrement, entrent-elles en collision ?
2. Deuxièmement, sont-elles orientées correctement ?
3. Troisièmement, présentent-elles suffisamment d'énergie ?

Si la réponse est "non" à n'importe quelle étape du processus, alors la réaction ne se produit pas - c'est aussi simple que cela.

Quels sont les facteurs cinétiques ?

Pour qu'une réaction se produise, les particules doivent entrer en collision avec une orientation correcte et une énergie suffisante. Comme les particules se déplacent constamment, nous ne pouvons pas vraiment contrôler leur orientation, mais nous pouvons influencer deux autres choses : le taux de collisions et l'énergie des particules. Tout facteur affectant ces deux variables aura une incidence sur le taux de réaction.

Ces facteurs sont les suivants :

• La température ;
• La concentration ;
• La pression ;
• La surface ;
• La présence d'un catalyseur.

Température : Réactions endothermiques

Lorsque nous chauffons un système, nous lui fournissons de l'énergie. Cette énergie est transférée aux particules à l'intérieur du système. Une partie de cette énergie est transférée sous forme d'énergie cinétique. Cela signifie que les particules se déplacent plus rapidement. Comme elles se déplacent plus vite, elles se heurtent plus fréquemment et le taux de collisions augmente. Le taux de collisions augmente donc, ce qui accroît le taux de réaction.

Cependant, le chauffage d'un mélange présente un autre effet encore plus important que l'augmentation du taux de collisions. Comme les particules présentent plus d'énergie, en moyenne, un plus grand nombre d'entre elles atteignent ou dépassent l'énergie d'activation nécessaire à une réaction particulière. Cela signifie qu'il y a plus de chances que les particules réagissent lorsqu'elles entrent en collision - les chances d'une collision réussie augmentent.

Distribution de Maxwell-Boltzmann

Voici un graphique de la distribution de Maxwell-Boltzmann. Il montre la distribution de l'énergie des particules à deux températures. C'est donc un moyen utile de montrer l'effet causé par le chauffage d'une réaction. Ici, la température \( Y \) est plus élevée que la température \( X \) .

Fig.3- Distribution de Maxwell-Boltzmann pour la même réaction à deux températures différentes

L'aire sous le graphique à droite de la ligne d'énergie d'activation nous indique le nombre de particules qui atteignent ou dépassent l'énergie d'activation. Tu peux clairement observer que l'aire sous \( Y \) est plus grande que l'aire sous \( X \) `. Cela signifie qu'un plus grand nombre de particules atteignent ou dépassent l'énergie d'activation, et qu'il y a donc plus de chances que la réaction réussisse lorsqu'elles entrent en collision.

En résumé, l'augmentation de la température d'un système accroît non seulement le nombre de collisions par seconde, mais aussi la proportion de collisions réussies.

Concentration : Réactifs

Lorsque l'on examine l'effet de la concentration sur la vitesse de réaction, il peut être utile de définir ce qu'est la concentration.

Si nous augmentons la concentration d'une solution, nous augmentons le nombre de particules de soluté dans un volume donné. Cela signifie qu'il y a plus de chances de collision entre une molécule de soluté et un autre réactif - la fréquence des collisions augmente. Généralement, on y parvient en ajoutant une plus grande quantité de soluté et en retirant une partie du solvant, tout en conservant le même volume global.

Fig.4- L'augmentation de la concentration d'une solution augmente le taux de réaction

L'augmentation de la concentration d'une solution augmente également la vitesse de réaction si l'un des réactifs est un solide. Le risque qu'une particule de soluté entre en collision avec le solide et réagisse avec lui est toujours plus élevé, comme le montre la figure ci-dessous :

Fig.5- L'augmentation de la concentration augmente également la vitesse de réaction si l'un des réactifs est solide.

Pression

L'augmentation de la pression d'un gaz présente à peu près le même effet que l'augmentation de la concentration d'une solution. Dans les gaz, la pression, le volume et le nombre de particules sont directement liés. Par conséquent, si tu souhaites augmenter la pression d'un gaz tout en conservant le même nombre de particules, tu dois diminuer le volume. Il en résulte une plus grande concentration de particules gazeuses et une augmentation de la vitesse de réaction.

Fig.6- L'augmentation de la pression d'un gaz augmente la vitesse de réaction

Surface

La dissolution d'un comprimé solide dans un bécher d'eau peut prendre beaucoup de cours. Mais si tu l'écrases pour en faire une fine poudre, il se dissout beaucoup plus rapidement. Cela s'explique par le fait qu'il présente une plus grande surface et qu'il y a plus de molécules exposées à sa surface. Seules les molécules à la surface d'un solide peuvent entrer en collision et réagir avec d'autres particules, de sorte que l'augmentation de la surface augmente la vitesse de réaction.

Fig.7- L'augmentation de la surface d'un solide augmente la vitesse de réaction

Catalyseurs

Le dernier facteur que nous examinerons aujourd'hui est la présence d'un catalyseur.

Les catalyseurs n'affectent pas les énergies individuelles des particules elles-mêmes, ni le commentaire de leur fréquence de collision. Ils agissent plutôt en diminuant les besoins en énergie d'activation d'une réaction. Ainsi, en moyenne, un plus grand nombre de particules atteignent ou dépassent l'énergie d'activation, ce qui augmente les chances de réussite de la collision. Le taux de réaction augmente.

Examinons maintenant l'action des catalyseurs sur les profils énergétiques et les distributions de Maxwell-Boltzmann.

Profil énergétique

Voici le profil énergétique d'une réaction exothermique, montré avec et sans catalyseur. Le changement d'énergie global pour les deux réactions est le même. Toutefois, l'énergie d'activation est plus faible pour la réaction impliquant un catalyseur :

Fig.8- Le profil énergétique d'une réaction exothermique montrée avec et sans catalyseur

Distribution de Maxwell-Boltzmann

Examinons maintenant une distribution de Maxwell-Boltzmann pour une réaction avec et sans catalyseur. L'énergie d'activation pour la réaction sans catalyseur est notée \( E_{a1} \) . L'énergie d'activation pour la réaction avec catalyseur est indiquée par la mention \( E_{a2} \) . Note que les énergies globales des particules ne changent pas. Au lieu de cela, l'énergie d'activation \( E_{a2} \) est simplement inférieure à \( E_{a1} \) et donc un plus grand nombre de particules atteignent ou dépassent cette énergie.

Fig.9- L'effet d'un catalyseur sur l'énergie d'activation d'une réaction, montré à l'aide d'une distribution de Maxwell-Boltzmann

Loi d'Arrhenius

Nous savons que la modification de la concentration de certaines des espèces impliquées dans une réaction peut changer la vitesse de la réaction. Mais qu'en est-il des autres facteurs qui affectent la vitesse de réaction, comme la température ? Tous ces facteurs sont astucieusement combinés dans la constante de vitesse, \( k \) . Cependant, \( k \) n'est constant que si la température et le catalyseur restent identiques. C'est ce que montre la loi d'Arrhenius, qui lie \( K \) à plusieurs autres facteurs.

La loi d'Arrhenius est la suivante :

$$K = A.e^{ \frac {-E_a}{RT}} $$

Où :

• \( A \) est le facteur de fréquence ;
• \( E_a \) est l'énergie d'activation ;
• \( R \) est la constante des gaz ;
• \( T \) est la température ;
• \( K \) est la constante de vitesse.

La constante de vitesse est une constante de proportionnalité qui montre comment la concentration des réactifs affecte la vitesse de réaction.

Cette loi est importante, car elle montre comment certaines variables (en particulier la température) affectent la vitesse d'une réaction.