La maltase, l'amylase, la protéase, la lipase sont autant d'exemples d'enzymes digestives. Elles sont chargées de transformer le hamburger juteux que tu as mangé à midi, garni de fromage et de laitue et pris en sandwich entre deux petits pains, en petites molécules qui peuvent être utilisées par l'organisme. En théorie, nous pourrions digérer nos aliments sans enzymes. Mais cela prendrait beaucoup de temps. Tu mourrais de faim avant que ton corps puisse obtenir les nutriments dont il a besoin. Les facteurs cinétiques et les enzymes sont les ingrédients secrets qui peuvent augmenter la vitesse d'une réaction.
- Ce résumé de cours porte sur les facteurs cinétiques.
- Nous allons apprendre à augmenter la vitesse de réaction en chimie.
- Pour commencer, nous verrons ce qu'est réellement la vitesse de réaction et nous étudierons brièvement comment la mesurer.
- Nous examinerons alors les différents facteurs cinétiques qui influencent la vitesse de réaction, notamment la température, la concentration, la surface, la pression et la présence d'un catalyseur.
- Nous étudierons certains processus qui manipulent les conditions afin d'augmenter la vitesse de réaction.
- Enfin, nous terminerons notre résumé de cours par la loi d'Arrhenius.
Qu'est-ce que la cinétique chimique ?
La cinétique chimique est une branche de la physique-chimie qui s'intéresse à la vitesse des réactions chimiques.
La loi de l'action de masse stipule que la vitesse d'une réaction est proportionnelle à la concentration des réactifs. Bien que cela soit souvent vrai, nous savons maintenant que de nombreux autres facteurs influencent également la vitesse de réaction des substances.
Pour en savoir plus sur la cinétique chimique, il suffit de consulter le résumé de cours "cinétique chimique".
Qu'est-ce que la vitesse de réaction ?
La vitesse de réaction est une mesure de la rapidité avec laquelle les réactifs sont utilisés ou les produits sont formés lors d'une réaction chimique. En d'autres termes, il s'agit de la variation de la concentration des réactifs ou des produits au cours du temps.
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 \( mol.dm^{-3}.s^{-1} , g.cm^{-1} ou \space cm^3.s^{-1} \) .
Pour en savoir plus sur la vitesse de réaction, il suffit de consulter le résumé de cours "vitesse de réaction".
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.
L'énergie d'activation est la quantité minimale d'énergie nécessaire pour déclencher une transformation chimique. Elle prend le symbole \( E_a \) .
La réaction entre deux particules se déroule en trois étapes.
- Premièrement, entrent-elles en collision ?
- Deuxièmement, sont-elles orientées correctement ?
- 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.
Conserver les aliments dans un réfrigérateur permet d'éviter qu'ils ne se détériorent. En effet, la basse température ralentit l'activité des micro-organismes en diminuant la vitesse de toutes leurs réactions.
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.
La concentration est la quantité d'une substance dans un volume donné.
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.
En fait, l'augmentation de la concentration de certains réactifs n'augmente pas toujours la vitesse de réaction. Tout dépend de l'ordre des réactifs pour chaque espèce particulière. Pour certaines espèces, lorsque tu doubles leur concentration, tu doubles la vitesse de réaction. Pour certaines espèces, le doublement de leur concentration quadruple la vitesse de réaction. Mais pour certaines espèces, doubler leur concentration ne présente aucun effet sur la vitesse de réaction.
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
La pression, le volume, le nombre de moles et la température d'un gaz sont tous liés par ce que l'on appelle la constante des gaz, R. Tu peux en savoir plus à ce sujet en consultant la loi des gaz parfaits.
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.
Un exemple d'utilisation de la surface pour augmenter la vitesse de réaction est le procédé Haber, utilisé pour produire de l'ammoniac. Dans cette réaction, le fer est utilisé comme catalyseur. Cependant, le fer est réduit en poudre afin d'augmenter sa surface et la vitesse de réaction.
Fig.7- L'augmentation de la surface d'un solide augmente la vitesse de réaction
L'augmentation de la surface d'un solide n'a un impact sur la vitesse de réaction que si le solide réagit avec un liquide, un gaz ou une solution aqueuse.
Toutefois, cela ne fonctionne pas uniquement pour les réactifs : l'augmentation de la surface d'un catalyseur solide peut également accroître la vitesse de réaction. Nous allons maintenant nous pencher sur les catalyseurs.
Catalyseurs
Le dernier facteur que nous examinerons aujourd'hui est la présence d'un catalyseur.
Les catalyseurs sont des substances qui augmentent la vitesse d'une réaction sans être elles-mêmes modifiées chimiquement au cours du processus.
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.
Les catalyseurs sont fréquemment utilisés par les personnes travaillant dans l'industrie. Comme ils ne sont pas utilisés dans la réaction, ils constituent un moyen peu coûteux d'augmenter la vitesse de réaction et donc d'accroître le rendement de la réaction. Même si le catalyseur est cher à l'achat, tu n'as besoin de l'acheter qu'une seule fois - tu peux alors le réutiliser plusieurs fois !
Cinétique enzymatique
Il existe plusieurs théories sur le commentaire du fonctionnement des catalyseurs. La première s'intéresse aux états de transition et la seconde à l'adsorption. Toutes les réactions présentent un état de transition. Il s'agit du point au milieu de la réaction avec le niveau d'énergie le plus élevé, où certaines des liaisons ont été rompues, mais où toutes les nouvelles liaisons n'ont pas été présentées. L'état de transition contient souvent des intermédiaires, qui sont des molécules créées à partir des réactifs qui réagissent à leur tour pour donner les produits. Les intermédiaires n'existent que pendant une fraction de seconde ; c'est la raison pour laquelle l'énergie d'activation est utilisée - pour créer ces molécules intermédiaires.
La théorie catalytique la plus courante veut que les catalyseurs réagissent avec certains des réactifs pour former des intermédiaires plus stables que ceux formés lors de la réaction initiale. Cela nécessite moins d'énergie. Les intermédiaires réagissent alors pour former les produits de la réaction, régénérant ainsi le catalyseur. Cette création d'intermédiaires plus stables se produit le plus souvent lorsque tu utilises des catalyseurs homogènes.
Une autre idée est que les particules de réactifs forment des liaisons faibles avec la surface du catalyseur, qui les maintiennent en place avec juste la bonne orientation. Cela signifie qu'il y a plus de chances que les particules réagissent lorsqu'elles entrent en collision les unes avec les autres. Le processus de liaison au catalyseur est appelé adsorption.
L'adsorption peut également affaiblir les liaisons entre les réactifs, ce qui facilite leur rupture. Les nouveaux produits se détachent alors du catalyseur, ce qui est connu sous le nom de désorption. L'adsorption et la désorption se produisent le plus souvent lorsque tu utilises des catalyseurs hétérogènes. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques. Elles agissent à l'intérieur des organismes vivants, accélérant les réactions chimiques sans être utilisées dans le processus. Là encore, elles le font en réduisant l'énergie d'activation d'une réaction. Voici quelques exemples courants d'enzymes : Les enzymes digestives que nous avons examinées au début de l'objet. Le lysozyme, une enzyme présente dans la salive et les larmes aidant à tuer les agents pathogènes. L'alcool déshydrogénase, une enzyme présente dans le foie qui décompose l'éthanol en éthanal. PSI et PSII sont des complexes enzymatiques importants impliqués dans la photosynthèse.
Pour en savoir plus sur ces catalyseurs biologiques, consulte le résumé de cours " Enzymes".
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 une loi qui établit une relation entre la constante de vitesse, la température absolue, l'énergie d'activation et le facteur pré-exponentiel.
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.
Facteur cinétique - Points clés
- La vitesse de réaction est une mesure de la rapidité avec laquelle les réactifs sont utilisés, ou de la rapidité avec laquelle les produits sont formés, dans une réaction chimique.
- En d'autres termes, il s'agit de la variation de la concentration des réactifs ou des produits au cours du temps.
- Nous pouvons mesurer la vitesse de réaction en mesurant le changement de masse, le changement de pH ou la production d'un gaz.
- L'augmentation de la température d'un système fournit plus d'énergie aux particules.
- Cela augmente le taux de réaction en augmentant à la fois la fréquence des collisions et la proportion de collisions réussies.
- L'augmentation de la concentration d'une solution ou de la pression d'un gaz augmente le taux de réaction en augmentant la fréquence des collisions.
- Cela s'explique par le fait qu'il y a plus de particules dans un volume donné.
- L'augmentation de la surface d'un solide augmente le taux de réaction.
- Cela s'explique par le fait qu'il y a plus de particules exposées au liquide ou au gaz environnant. L'ajout d'un catalyseur augmente la vitesse de réaction.
- Cela s'explique par le fait que les catalyseurs réduisent l'énergie d'activation nécessaire à la réaction.
- La loi d'Arrhenius est une équation qui établit une relation entre la constante de vitesse, la température absolue, l'énergie d'activation et le facteur pré-exponentiel.
Cours 
Magazine 
