Vitesse de réaction

Qu'est-ce que 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 détermine si quelque chose est réellement possible. Le second domaine est celui de la cinétique, qui mesure la vitesse à laquelle une réaction se produit. La vitesse d'une réaction est déterminée par un couple de facteurs, qui constituent la vitesse de réaction.

L'exemple du diamant illustre parfaitement l'importance de la mesure de la vitesse de réaction. Même si une réaction est spontanée (autorisée par la thermodynamique), si la vitesse est trop lente, on ne l'observera pas. Inversement, si une réaction est rapide, elle peut 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 \( 1,0 \times 10^{-12} s \) , soit \( 0{,}000000000001 \) seconde !

Nous avons maintenant vu des réactions rapides et lentes, mais comment calculer la vitesse ? Eh bien, heureusement, les calculs de la vitesse sont simples.

Vitesse de réaction : Formule

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

$$ H_2{_{(g)}}+ I_2{_{(g)}} \rightarrow 2HI_{(g)} $$

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

$$ Vitesse= \frac{- \Delta [H_2]}{ \Delta t}= \frac{[H_2]_{t_{2}}-[H_2]_{t_{1}}}{t_{2}-t_{1}} $$

La vitesse de réaction mesure les changements de concentration aux temps \( t_1 \) et \( t_2 \) . Le signe négatif dans l'expression représente le changement négatif de la concentration des réactifs, car au fur et à mesure de la réaction, les réactifs disparaissent. Un signe négatif dans la vitesse de réaction fera de la vitesse de réaction une expression positive. En utilisant la même logique, la concentration des produits augmentera au fur et à mesure que la réaction avance. Par conséquent, l'expression du taux pour les produits sera positive.

Pour s'assurer que le taux est le même pour chaque espèce, chaque espèce doit être divisée par son coefficient stœchiométrique.

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

Dans la formation de \( HI \) , deux moles de \( HI \) sont produites pour chaque mole de \( H_2 \) et \( I_2 \) . En d'autres termes, \( HI \) est produit à un rythme deux fois plus rapide que la décomposition de chaque réactif.

Pour fournir une formule générale pour 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 des coefficients stœchiométriques, et A, B, C et D sont les espèces chimiques. Ces coefficients peuvent être appliqués à une formule de réaction générale comme suit :

$$ Vitesse= - \frac{1}{a} \frac{ \Delta A}{ \Delta t} = - \frac{1}{b}\frac{ \Delta B}{ \Delta t} =+ \frac{1}{c} \frac{ \Delta C}{\Delta t} =+ \frac{1}{d} \frac{ \Delta D}{ \Delta t} $$

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

C'est quoi la vitesse volumique de réaction ?

Elle est souvent exprimée en termes de concentration ou quantité par unité de volume d'un produit qui se forme en une unité de temps ou de concentration d'un réactif qui est consommé en une unité de temps. Elle peut également être définie en termes de quantités de réactifs consommés ou de produits formés par unité de volume dans une unité de temps. Par exemple, supposons que l'équation chimique équilibrée d'une réaction soit de la forme suivante :

$$ aA+bB \rightarrow cC $$

$$ Vitesse \ volumique = - \frac{1}{aV} \frac{ \Delta n_{A}}{ \Delta t}= - \frac{1}{bV} \frac{ \Delta n_{B}}{ \Delta t}= + \frac{1}{cV} \frac{ \Delta n_{C}}{ \Delta t} $$

Unités de vitesse de la réaction

Si tu ne sais pas quelles unités utiliser pour le taux de réaction, il peut être utile d'examiner la formule. Dans cette 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, pas du tout. Regarde cet exemple pour t'en faire une meilleure idée (remarque : le calcul ci-dessous implique uniquement une analyse dimensionnelle).

$$ Vitesse= \frac{ \Delta Conc.}{ \Delta time} $$

$$ Vitesse = \frac{C_{final}-C_{initial}}{t_{final}-t_{initial}} $$

$$ Vitesse= \frac{mol \ L_{final}^{-1}- mol \ L_{initial}^{-1}}{s{final}-s{initial}} $$

$$ Vitesse= \frac{mol \ L^{-1}}{s} $$

$$ Vitesse= mol \ L^{-1}s^{-1} $$

Les unités de la vitesse de réaction sont généralement des \( mol \ L^{-1} s^{-1} \) , mais tu peux les voir écrites avec d'autres unités. La chose importante à noter est que la vitesse de réaction mesure la concentration en fonction du temps. Ils seront donc probablement toujours sous cette forme.

Qu'est-ce qu'une constante de vitesse ?

La proportionnalité entre la vitesse et \( [A] \) devient un signe égal par l'insertion d'une constante \( (k) \) . Une loi de vitesse est une expression montrant la relation entre la vitesse de la réaction et les concentrations de chaque réactif.

La loi de vitesse et la constante de vitesse spécifique de toute réaction chimique doivent être déterminées expérimentalement. La valeur de la constante de vitesse dépend de la température. Une grande valeur de la constante de vitesse signifie que la réaction est relativement rapide, tandis qu'une petite valeur de la constante de vitesse signifie que la réaction est relativement lente.

$$ Vitesse= - \frac{ \Delta [A]}{ \Delta t} $$

ou $$ Vitesse= k[A] $$

Comment calculer la vitesse de réaction ?

Maintenant que nous connaissons la formule générale de la vitesse de réaction, nous pouvons calculer la vitesse de réaction. Utilise l'équation équilibrée suivante pour déterminer la vitesse moyenne de réaction.

$$ H_2O_2{(aq)}+ 3I^{-}{(aq)} +2H^{+}{(aq)} \rightarrow I^{-}_{3}{(aq)} + 2H_2O{(aq)} $$

Au cours des \( 10 \) 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 entrer dans notre équation de vitesse pour calculer la vitesse de la réaction.

$$ Vitesse= - \frac{1}{3} \frac{ \Delta[I^{-}]}{ \Delta t} $$

$$ =- \frac{1}{3} \frac{(0.868 \ mol \ L^{-1}- 1.000 \ mol \ L^{-1})}{(10.0 \ s-0.00 \ s)} $$

$$ = - \frac{1}{3} \frac{(-0.132 \ mol \ L^{-1})}{10.0 \ s} $$

$$ Vitesse= 4.40 \times 10^{-3} mol \ L^{-1} \ s^{-1} $$

Maintenant que nous connaissons 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 \( H^{+} \) pendant les \( 10 \) premières secondes.

$$ Vitesse= - \frac{1}{2} \frac{ \Delta[H^{+}]}{ \Delta t} $$

$$ -2(Vitesse) = \frac{ \Delta [H^{+}] }{ \Delta t} $$

$$ \frac{ \Delta [H^{+}]}{ \Delta t} = -2 (4.40 \times 10^{-3} mol \ L^{-1} s^{-1} ) $$

$$ Vitesse= -8.80 \times 10^{-3} mol \ L^{-1} s^{-1} $$

On ne te donne pas la concentration initiale de \( H^{+} \) , donc tout ce que tu peux faire est de calculer la vitesse de variation des cations d'hydrogène. À titre d'exercice, essaie de calculer la vitesse de variation pour les autres espèces. Quelles tendances remarques-tu en calculant le taux de changement pour les produits ?

Facteurs affectant la vitesse de réaction

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

• L'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. Comme tu le sais, les molécules de gaz se diffusent rapidement, tandis que les solides ne font que vibrer. Cela signifie que si une molécule se déplace beaucoup, elle a plus de chances d'entrer en contact avec un élément avec lequel elle va réagir. On peut observer ce phénomène en évaluant les réactions homogènes par rapport aux réactions hétérogènes.

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

Effets de la concentration sur la vitesse de réaction

Un autre facteur susceptible d'affecter la vitesse de réaction est la concentration des réactifs. Ceci 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 le déplaçant suffisamment, ou en le plaçant de manière stratégique, tu pourrais les faire interagir. Maintenant, que se passe-t-il si tu ajoutes \( 1 \ kg \) 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 pour 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 un élément avec lequel il va réagir.

Fig 2- Avec un nombre accru de molécules en solution, il y a plus de chances qu'elles entrent en collision.

Effets de la température sur la vitesse de réaction

La température est un autre facteur qui affecte la vitesse de réaction. En général, l'augmentation de la température accroît la vitesse à laquelle une réaction se produit. Cela est dû au fait que les réactifs ont une énergie accrue. Lorsqu'ils se heurtent les uns aux autres, 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.

Qu'est-ce qu'une Vitesse de réaction enzymatique ?

Certains catalyseurs, comme les enzymes, rapprochent également les molécules, ce qui leur permet de réagir plus rapidement et par conséquent augmenter la vitesse de réaction enzymatique.

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

Nous avons énuméré quelques facteurs différents qui influent sur la vitesse de réaction, mais il en existe 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 donné ici un bref aperçu des taux et de la manière de calculer la vitesse de réaction pour des équations de réaction simples. Cela devient rapidement plus compliqué lorsque l'on considère les expressions de taux intégrées et la loi des taux. C'est un sujet que nous réserverons pour un autre article, alors n'hésite pas à le consulter. En attendant, essaie d'observer la cinétique et les vitesses 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 pourras sans doute répondre rapidement à cette question.