Taux de réaction

Définition de la vitesse de réaction

Lorsque tu observes un processus quelconque, tu observes simultanément deux domaines de la chimie. Le premier est le domaine de la thermodynamique, qui traite de la question de savoir si quelque chose est réellement possible. Le deuxième domaine est celui de la cinétique, qui mesure la vitesse à laquelle quelque chose se produit. La vitesse d'une réaction est déterminée par un certain nombre de facteurs, qui constituent le taux de réaction.

L'exemple du diamant souligne parfaitement l'importance de la mesure de la vitesse de réaction. Même si une réaction est spontanée (permise par la thermodynamique), si la vitesse est trop lente, on ne l'observera pas se produire. À l'inverse, si une réaction est rapide, elle risque d'être trop rapide pour être observée. Les réactions ioniques, par exemple, sont si rapides qu'elles doivent être observées à l'aide d'un équipement spécial, comme les spectromètres. Ces appareils utilisent la lumière pour détecter les changements dans un échantillon. Certaines réactions sont plus rapides que 1,0 x ^10-12 s, soit 0,000000000001 seconde !

Nous avons donc déjà vu des réactions rapides et lentes, mais comment calcule-t-on le taux ? Heureusement, le calcul de la vitesse est simple.

Formule du taux de réaction

Nous avons dit plus tôt que la vitesse de réaction était une mesure de la concentration en fonction du temps. Voyons à quoi ressemble la formule du taux de réaction avec la réaction suivante :

$$ H_2 (g) + I_2 (g) \rightarrow 2 HI (g) $$$

Dans une réaction directe, les réactifs sont consommés pour former les produits.

$$ Taux ~ = - \frac { \Delta [H_2] } { \Delta t } = - \frac { [H_2]_{t_2} - [H_2]_{t_1} } { t_2 - t_1 } $$

La vitesse de réaction mesure les changements de concentration aux temps _t1 et _t2. Le signe négatif dans l'expression représente le changement négatif de la concentration des réactifs parce qu'au fur et à mesure que la réaction se déroule, les réactifs disparaissent. Un signe négatif dans la vitesse de réaction fera de celle-ci une expression positive. En suivant la même logique, la concentration des produits augmentera au fur et à mesure que la réaction progresse. Ainsi, l'expression du taux pour les produits sera positive.

Pour que le taux soit le même pour chaque espèce, il faut diviser chaque espèce par son coefficient stœchiométrique.

$$ + \frac {1} {2} \frac { \Delta [HI] } { \Delta t } $$

Lors de la formation de HI, deux moles de HI sont produites pour chaque mole de_H2 et de _I2. En d'autres termes, HI est produit deux fois plus vite que la décomposition de chaque réactif.

Pour donner une formule générale de la réaction globale, nous utiliserons cette formule générale de réaction :

$$ aA + bB \rightarrow cC + dD $$

Dans cette formule, a, b, c et d, sont tous les coefficients stœchiométriques, et A, B, C et D sont les espèces chimiques. On peut les appliquer à une formule de réaction générale de la façon suivante :

$$ \text {Rate} = - \frac {1} {a} \frac { \Delta [A] } { \Delta t } = - \frac {1} {b} \frac { \Delta [B] } { \Delta t } = + \frac {1} {c} \frac { \Delta [C] } { \Delta t } = + \frac {1} {d} \frac { \Delta [D] } { \Delta t } $$

Cette formule nous montre que la concentration d'une espèce peut élucider la concentration de n'importe quelle autre espèce à cet intervalle de temps donné. Tout cela est rendu possible grâce aux coefficients stœchiométriques. Ainsi, en connaissant l'équation chimique équilibrée, tu peux calculer la concentration de n'importe quelle autre espèce.

Unités du taux de réaction

Si tu ne sais pas quelles sont les unités qui peuvent être utilisées pour le taux de réaction, il peut être utile d'examiner la formule. Dans la formule, la concentration est divisée par le temps. Mais, en réalité, il s'agit d'un changement de concentration par rapport à un changement de temps. Comment cela affecte-t-il les unités du taux ? Eh bien, ce n'est pas le cas. Regarde cet exemple pour te faire une meilleure idée (remarque, le calcul ci-dessous implique une analyse dimensionnelle uniquement).

\begin{align}\text {Rate} &= \frac { \Delta Conc. } { \Delta temps } \\N-\N-text {Rate} &= \Nfrac { C_{final} - C_{initial} } { t_{final} - t_{initial} } \\N-\N-text {Rate} &= \Nfrac { mol~L^{-1}_{final} - mol~L^{-1}_{initial} } } { s_{final} - s_{initial} } \\N-\N-text {Rate} &= \Nfrac { mol~L^{-1} } { s } \\N-\N-text {Rate} &= mol ~ L^{-1} ~ s^{-1}\N-end{align}

Les unités de vitesse de réaction sont généralement des mol ^{L-1 s-1}, mais tu peux les voir écrites avec d'autres unités. Ce qu'il faut savoir, c'est que la vitesse de réaction mesure la concentration en fonction du temps. Il est donc probable qu'il soit toujours écrit sous cette forme.

Calcul du taux de réaction

Maintenant que nous connaissons la formule générale du taux de réaction, nous pouvons calculer le taux de réaction. Utilise l'équation équilibrée suivante pour déterminer le taux moyen de réaction.

$$ H_2O_2 (aq) + 3 I^- (aq) + 2 H^+ (aq) \rightarrow I_3 ^- (aq) + 2 H_2O (l) $$

Au cours des 10,0 premières secondes, la concentration de ^I- a diminué de 1,000 mol ^L-1 à 0,868 mol ^L-1. Nous connaissons donc la concentration et l'intervalle de temps pour ^I-. Nous pouvons maintenant les introduire dans notre équation de vitesse pour déterminer la vitesse de la réaction.

\begin{align}\text {Rate} &= - \frac {1} {3} \frac { \Delta [ I^- ] } { \Delta t } \\N-&= - \Nfrac {1} {3} \frac { ( 0.868 ~ mol ~ L^{-1} - 1.000 ~ mol ~ L^{-1} ) } { ( 10.0 ~ s - 0.00 ~ s ) } \\N-&= - \Nfrac {1} {3} \frac { (- 0,132 ~ mol ~ L^{-1} ) } { ( 10.0 ~ s ) } \\N-\N-text {Rate} &= 4.40 \N-times 10 ^ {-3} ~ mol ~ L ^{-1} ~ s^{-1}\Nend{align}

Maintenant que nous avons notre taux, que faire si nous voulons connaître la concentration d'un autre participant à la réaction ? Essayons de calculer le taux de variation de ^H+ au cours des 10 premières secondes.

\begin{align}\text {Rate} &= - \frac {1} {2} \frac { \Delta [ H^+ ] } { \Delta t } \\N--2( \N-text {Rate} ) &= \Nfrac {1} {2} \frac { \Delta [ H^+ ] } { \Delta t } \\N-\Nfrac {1} {2} \frac { \Delta [ H^+ ] } { \Delta t } &= -2( 4.40 \times 10 ^ {-3} ~ mol ~ L ^{-1} ~ s^{-1} ) \N\text {Taux} &= -8.80 \times 10 ^ {-3} ~ mol ~ L ^{-1} ~ s^{-1}\end{align}

On ne te donne pas la concentration initiale de ^H+, donc tout ce que tu peux faire, c'est calculer le taux de changement pour les cations d'hydrogène. En guise d'exercice, essaie de calculer le taux de changement pour les autres espèces. Quelles tendances observes-tu en calculant le taux de changement pour les produits ?

Facteurs affectant le taux de réaction

La vitesse de réaction peut varier considérablement dans des conditions différentes. Il existe de nombreux facteurs affectant le taux de réaction, mais nous n'en aborderons que quelques-uns. Voici quelques-uns des facteurs qui affectent la vitesse de réaction dont nous allons parler :

• État physique des réactifs
• Concentration des réactifs
• Température du système
• Catalyseurs

Effets de l'état physique sur la vitesse de réaction

Le premier facteur est l'état physique des réactifs^.2 Comme tu le sais, les molécules de gaz se diffusent rapidement, tandis que les solides se contentent de vibrer. Cela signifie que si une molécule se déplace beaucoup, elle a plus de chances d'entrer en contact avec quelque chose avec lequel elle réagira. Ce phénomène peut être observé lors de l'évaluation des réactions homogènes et hétérogènes.

Les réactions hétérogènes sont souvent limitées par la surface du solide, ce qui a un impact considérable sur la vitesse.

Effets de la concentration sur la vitesse de réaction

Un autre facteur qui peut affecter la vitesse de réaction est la concentration des réactifs. C'est peut-être déjà évident, puisque la concentration est l'une des variables de notre expression de la vitesse. Mais il est important de comprendre pourquoi la concentration est importante. Si tu ajoutes un grain de sel et une goutte d'eau dans un seau, le sel se dissoudra-t-il ?

Eh bien, cela dépend vraiment de l'endroit où tu les as placés dans le seau. Peut-être qu'en les déplaçant suffisamment ou en les plaçant stratégiquement, tu pourrais les faire interagir. Et si tu ajoutais 1 kg de sel et 1 L d'eau ? Eh bien, il est beaucoup plus probable qu'ils interagissent les uns avec les autres. C'est pourquoi la concentration est importante lorsqu'il s'agit de déterminer le taux. Si, dans une solution, il y a plus d'un réactif, cela signifie qu'il y a plus de chances qu'il entre en contact avec quelque chose avec lequel il va réagir.

Fig 2 - Si le nombre de molécules en solution augmente, il y a plus de chances qu'elles entrent en collision.

Effets de la température sur le taux de réaction

La température est un autre facteur qui affecte la vitesse de réaction. Généralement, l'augmentation de la température augmente la vitesse à laquelle une réaction se produit. Cela est dû au fait que les réactifs ont une énergie accrue. Lorsqu'ils se heurtent l'un à l'autre, l'énergie accrue signifie qu'il est plus facile de surmonter l'énergie d'activation nécessaire à la réaction.

Effets catalytiques sur la vitesse de réaction

Il existe un autre facteur que nous mentionnerons brièvement, à savoir les catalyseurs. Les catalyseurs diminuent l'énergie d'activation d'une réaction, ce qui la rend plus facile à surmonter. Certains catalyseurs, comme les enzymes, rapprochent également les molécules, ce qui leur permet de réagir plus rapidement.

Les catalyseurs sont obligatoires pour que certaines réactions se produisent, ce qui les rend vitaux pour la vie sur Terre. Sans enzymes, les processus biologiques se dérouleraient trop lentement et la vie ne serait pas possible.

Nous avons énuméré quelques facteurs différents affectant le taux de réaction, mais il y en a encore beaucoup d'autres que nous n'avons pas mentionnés. La cinétique est un domaine très diversifié, avec de nombreuses pistes à explorer. Nous avons abordé ici un bref aperçu des taux et de la façon de calculer le taux de réaction pour des équations de réaction simples. Cela devient rapidement plus compliqué lorsqu'on considère les expressions de taux intégrées et la loi de taux. C'est un sujet que nous réserverons pour un autre article, alors ne manque pas de le consulter. En attendant, essaie d'observer la cinétique et les taux de réaction dans la vie de tous les jours.

La prochaine fois que tu mélangeras du sucre dans du café ou du sel dans de l'eau, demande-toi : pourquoi cela se dissout-il plus vite ? Grâce à tes nouvelles connaissances sur la cinétique, tu répondras sans doute rapidement à cette question.