Facteurs influençant les vitesses de réaction

Qu'est-ce que la vitesse de réaction ?

Comme nous l'avons défini au début, 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 d'un changement de concentration des réactifs ou des produits par rapport au temps. Les unités de la vitesse de réaction varient, mais elles sont généralement les suivantes $\mathrm{mol}{\mathrm{dm}}^{-3}{\mathrm{s}}^{-1}$, $\mathrm{g}{\mathrm{s}}^{-1}$ ou ${\mathrm{cm}}^3{\mathrm{s}}^{-1}$.

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 aussi 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 aussi mesurer le changement de pH.

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

Représentation graphique de la vitesse de réaction

Une fois que tu as effectué tes mesures, tu peux tracer un graphique et l'utiliser pour connaître la vitesse de la réaction à n'importe quelle période de temps spécifique. 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 change avec le temps lors d'une réaction.

Tu remarqueras :

• La courbe est initialement abrupte. Cela signifie que le volume de gaz dégagé change rapidement. La vitesse de réaction initiale est donc très rapide.
• La courbe se stabilise ensuite. 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 être élevée, puis s'abaisse. C'est parce que la masse diminue au fur et à mesure que certains des réactifs se transforment en produits gazeux et quittent le système.

Fig. 2 - Graphique montrant l'évolution de la masse en fonction du temps dans 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 temps nécessaire à la réaction. Pour trouver le taux de réaction en un point précis, tu dois tracer une tangente à la courbe et calculer son gradient. Tu trouveras plus d'informations à ce sujet dans Cinétique chimique.

Qu'est-ce qui provoque une réaction ?

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

La réaction entre deux particules ressemble à un processus en trois étapes. Premièrement, entrent-elles en collision ? Deuxièmement, sont-elles orientées correctement ? Troisièmement, ont-elles suffisamment d'énergie ? Si la réponse est "non" à n'importe quelle étape du processus, la réaction ne se produira pas - c'est aussi simple que cela.

Quels sont les facteurs qui influencent la vitesse de réaction ?

Pour qu'une réaction se produise, les particules doivent entrer en collision avec la bonne orientation et suffisamment d'énergie. 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 qui affecte 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

La température

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 donc. Cela augmente le taux de réaction.

Cependant, le fait de chauffer un mélange a un autre effet qui est encore plus important que l'augmentation du taux de collisions. Comme les particules ont 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

La surface 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 voir 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 augmente non seulement le nombre de collisions par seconde, mais aussi la proportion de collisions réussies.

La concentration

Lorsque l'on examine l'effet de la concentration sur le taux 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, nous procédons 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 la vitesse 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.

La pression

L'augmentation de la pression d'un gaz a 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. Ainsi, si tu veux augmenter la pression d'un gaz tout en gardant 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 surface

Dissoudre un comprimé solide dans un bécher d'eau peut prendre beaucoup de temps. Mais si tu l'écrases en une fine poudre, il se dissout beaucoup plus rapidement. C'est parce que sa surface est plus grande 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, donc l'augmentation de sa surface augmente la vitesse de réaction.

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

Les 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 la fréquence de leurs collisions. 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, il y a donc plus de chances que la collision réussisse. 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, avec et sans catalyseur. Le changement d'énergie global pour les deux réactions est le même. Cependant, l'énergie d'activation est plus faible pour la réaction impliquant un catalyseur :

Fig. 8 - Profil énergétique d'une réaction exothermique 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 ${\mathrm{E}}_{\mathrm{a}}1$. L'énergie d'activation de la réaction avec catalyseur est indiquée par la mention ${\mathrm{E}}_{\mathrm{a}}2$. Note que les énergies globales des particules ne changent pas. Au contraire, ${\mathrm{E}}_{\mathrm{a}}2$ est simplement inférieure à ${\mathrm{E}}_{\mathrm{a}}1$ 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, illustré à l'aide d'une distribution de Maxwell-Boltzmann.

Applications des facteurs affectant la vitesse de réaction

Pour finir, discutons de quelques applications des facteurs qui augmentent la vitesse d'une réaction.

La température

Garder 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.

La surface

Un exemple d'utilisation de la surface pour augmenter la vitesse de réaction est le procédé Haber, utilisé pour fabriquer 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 d'accélérer la réaction.

Les catalyseurs

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 bon marché 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 ensuite le réutiliser plusieurs fois !