Taux de réaction et température

Relation entre la vitesse de réaction et la température

Pour comprendre la relation entre la vitesse de réaction et la température, nous devons d'abord définir ce qu'est la vitesse de réaction. Nous devons ensuite comprendre le principe général qui sous-tend la vitesse de toute réaction : la théorie des collisions.

La vitesse de réaction

Théorie de la collision

Selon la théorie des collisions, pour qu'une réaction réussisse, il faut qu'il y ait une collision entre deux particules. Cependant, toutes les collisions ne donnent pas lieu à une réaction. Les particules doivent d'abord être orientées dans la bonne direction. Elles doivent ensuite se rencontrer avec suffisamment d'énergie pour briser les liens d'origine qu'elles contiennent.

Maintenant, découvrons comment la température affecte la vitesse d'une réaction selon les principes de la théorie des collisions.

Vitesse de réaction, théorie des collisions et température

L'effet de la vitesse de réaction avec l'augmentation de la température peut être expliqué par la théorie des collisions de deux façons :

• Une augmentation de la température augmente la vitesse moyenne des particules.
• Une augmentation de la température augmente l'énergie cinétique moyenne des particules.

Une augmentation des deux phénomènes ci-dessus augmente le nombre de collisions par seconde.

Fig. 1. Le comportement des particules au départ et l'augmentation de la température, originaux StudySmarter.

Jette un coup d'œil aux figures ci-dessus. La figure 1 illustre le comportement des particules à la température à laquelle une réaction chimique a commencé (on peut parler de température initiale). La longueur des flèches dans les deux figures représente l'énergie cinétique des particules. Remarque que dans la figure 1, seules quelques particules ont suffisamment d'énergie cinétique pour participer à la réaction.

La figure 2, en revanche, illustre le comportement des particules après une augmentation de la température. Remarque l'augmentation de la longueur des flèches qui représente une augmentation de la vitesse, ou tu pourrais dire de l'énergie cinétique des particules. Un plus grand nombre de particules de la figure 2 ont suffisamment d'énergie pour entrer en collision et provoquer une réaction (à condition qu'elles soient orientées correctement). Les particules encerclées dans les deux figures sont dans la bonne orientation et ont suffisamment d'énergie pour entrer en collision.

Ainsi, à partir de la théorie des collisions, nous pouvons conclure que le taux de réaction est directement proportionnel à la température.

La question suivante qui se pose est la suivante : comment connaître l'énergie minimale requise pour que les particules subissent des collisions ?

La courbe de distribution de Maxwell-Boltzmann permet de répondre à cette question.

Courbe de distribution de Maxwell-Boltzmann

La distribution de Maxwell-Boltzmann nous montre la répartition des énergies des particules d'un gaz à une température constante. Elle nous renseigne sur le nombre de particules ayant une énergie faible, une énergie modérée et une énergie supérieure à l'énergie d'activation.

Fig. 2 : Courbe de distribution de Maxwell-Boltzmann montrant la distribution des énergies des particules, StudySmarter Originals

Sur la base de la courbe de distribution de Maxwell-Boltzmann ci-dessus, nous pouvons déduire ce qui suit :

• L'aire sous la courbe est le nombre total de particules.
• Énergie d'activation- La quantité minimale d'énergie requise pour que les particules entrent en collision pour que les réactions se produisent est appelée énergie d'activation. Observe la partie du graphique marquée en jaune. Elle représente le nombre de particules qui ont atteint la borne de l'énergie d'activation. Remarque que cette partie est minuscule par rapport à la surface totale du graphique. Cela signifie que seules quelques particules ont suffisamment d'énergie pour que des collisions se produisent.
• Aucune particule n'a une énergie nulle
• Le sommet de la courbe - L'énergie la plus probable : La plupart des particules ont cette énergie particulière.

Comprenons maintenant ce qui se passe lorsque nous augmentons la température.

Fig. 3 : Courbe de Maxwell-Boltzmann après une augmentation de la température, StudySmarter originals

Observe les deux courbes du graphique ci-dessus. La courbe en bleu représente l'énergie des particules à une certaine température lorsque la réaction a commencé. La courbe en rose représente l'énergie des particules après avoir augmenté la température. La courbe en rose s'est déplacée vers la droite.

Qu'est-ce que cela signifie ?

En termes simples, le nombre de particules qui atteignent ou dépassent le jalon de l'énergie d'activation (Ea) est augmenté. Cela signifie que tu peux t'attendre à plus de collisions, ce qui aide la réaction à se produire à un rythme plus rapide. On peut donc en déduire qu'une augmentation de la température accroît la vitesse d'une réaction.

Remarque également que, d'après le graphique, l'aire sous les deux courbes est la même, c'est-à-dire que le nombre total de particules reste le même. Nous n'apportons pas de nouvelles particules, ou le nombre de particules n'augmentera pas avec l'augmentation de la température. Seul le nombre de particules qui peuvent dépasser ou atteindre l'énergie d'activation augmentera. Par exemple, si le nombre total de particules est de 100, il sera toujours de 100. Au début de la réaction, peut-être que 25 particules auraient assez d'énergie pour entrer en collision (atteindre ou dépasser l'Ea). Cependant, lorsque tu augmentes la température, sur les mêmes 100 particules, 50 particules atteindront ou dépasseront l'Ea.

Si tu veux connaître les autres énergies représentées dans la courbe de distribution de Maxwell-Boltzmann, comme l'énergie cinétique moyenne des particules, l'énergie la plus probable et l'énergie d'activation, rends-toi sur cet article - Distribution de Maxwell-Boltzmann . Dans le même article, nous t'expliquerons également les autres facteurs qui augmentent la vitesse d'une réaction - catalyseur et concentration.

Méthode et expérience pour la température et la vitesse de réaction

Grâce à une expérience, nous pouvons constater par nous-mêmes les effets de la température sur la vitesse d'une réaction chimique : l'augmentation de la température d'un système chimique augmente sa vitesse de réaction.

Tu peux utiliser toute une série d'expériences différentes pour justifier cette affirmation. Ici, nous allons considérer la réaction entre le thiosulfate de sodium et l'acide chlorhydrique.

La réaction se déroule comme suit :

$$ Na_2S_2O_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + S + SO_2 + H_2O $$

Les réactifs sont transparents. Ils produisent une suspension trouble de soufre solide, qui est beaucoup plus opaque. Nous pouvons utiliser l'opacité du système comme indicateur du temps nécessaire pour que la réaction soit complète, puis répéter le processus à différentes températures. Cela nous permet de comparer la vitesse de la réaction lorsque nous faisons varier la température.

Matériel

Pour cette expérience, tu auras besoin de :

• Une solution de thiosulfate de sodium de 0,05 mol ^dm-3.
• 1,0 mol ^dm-3 d'acide chlorhydrique.
• 2 cylindres gradués.
• 1 fiole conique.
• Brûleur Bunsen ou bain-marie de 400 ^cm3.
• Thermomètre.
• Chronomètre.
• Morceau de papier.
• Plaques chauffantes.

Méthode

Voici comment tu vas réaliser l'expérience :

1. Mesure 100 ^cm3 de solution de thiosulfate de sodium dans une éprouvette graduée, et verse-la dans la fiole conique.
2. Sur une feuille de papier, dessine une marque X et place la fiole conique sur la feuille de façon à ce que tu puisses voir la marque à travers la fiole.
3. Mesure 10 ^cm3 d'acide chlorhydrique dans l'autre cylindre gradué et verse-le dans la fiole conique.
4. Fais tourner la fiole et démarre rapidement le chronomètre.
5. Observe la marque à travers la fiole.
6. Lorsque tu ne peux plus voir la marque à travers la fiole, arrête le chronomètre et note l'heure. C'est le temps nécessaire pour que la réaction soit complète.
7. Note la température ambiante sur le thermomètre.
8. Inscris l'heure à côté de la température dans un carnet.
9. Jette le contenu de la fiole et lave-la.
10. Répète l'expérience plusieurs fois à différentes températures [ Par exemple : (température ambiante + 20)°C, (T+ 30)°C, (T+40°C) ].
11. Utilise la plaque chauffante pour chauffer séparément la solution de thiosulfate de sodium et l'acide chlorhydrique, puis mélange-les et note la durée. Tu peux aussi utiliser un bain-marie.

Fig. 4 : Expérience pour observer les effets de la température sur la vitesse de réaction | Turton School

Effet de la température sur la vitesse de réaction : graphique

Après cette expérience, tu disposeras d'un tableau indiquant le temps nécessaire pour que la réaction aille à son terme, ainsi que la température à laquelle la réaction a eu lieu. Tu peux calculer la vitesse de la réaction en prenant l'inverse du temps.

$$ réaction~taux = \frac{1}{temps~mis~par~la~réaction~à~se~compléter} $$

Si tu traces la vitesse et le temps de la réaction en fonction de la température, tu obtiendras des graphiques comme celui-ci -

Fig. 5. Graphiques représentant l'effet de la température sur le temps et la vitesse de réaction, originaux StudySmarter.

D'après les graphiques, nous pouvons constater deux choses.

• À mesure que la température augmente, le temps nécessaire pour que la réaction soit complète diminue.
• Cela signifie qu'à mesure que la température augmente, la vitesse de réaction augmente.

Nous savons maintenant, grâce à la théorie des collisions et à l'expérience du thiosulfate de sodium, que la vitesse de réaction augmente avec l'augmentation de la température.