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Vitesse de réaction

Vitesse de réaction

Malheureusement pour Marilyn Monroe et pour tous les meilleurs amis des diamants, un jour, les diamants n'existeront plus. Tous les diamants de cette planète finiront par redevenir du graphite et par disparaître de toutes les alliances de toutes les mains. Mais ne t'inquiète pas, cela n'arrivera pas avant des milliards d'années ! Bien que cette réaction soit thermodynamiquement favorable, elle est limitée par sa cinétique, ce qui signifie qu'elle prendra beaucoup de temps.

Mais comment calculer les vitesses de réaction, et qu'est-ce qui les affecte ? Reste avec nous et nous étudierons ensemble les vitesses de réaction à temps pour que tu puisses observer un diamant se transformer lentement en graphite.

  • Aujourd'hui, nous allons étudier les vitesses de réaction.
  • Tout d'abord, nous allons étudier la vitesse de réaction et ce qu'elle signifie.
  • Ensuite, nous évaluerons comment se présente la formule de la vitesse de réaction et quelles sont les unités que nous utiliserons.
  • Ensuite, nous ferons un calcul ensemble pour t'aider à t'entraîner.
  • Enfin, nous verrons certains éléments qui affectent la vitesse de réaction, comme l'état physique, la concentration, la température et les catalyseurs.

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.

La vitesse de réaction est une mesure de la rapidité avec laquelle une réaction chimique va se produire. Plus précisément, elle mesure un changement de concentration par rapport à un changement de temps.

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.

Il convient de noter que ce que nous calculons généralement est la vitesse moyenne de réaction. Nous pouvons également calculer la vitesse instantanée de la réaction. Cependant, cela se fait après avoir construit un graphique de la vitesse de réaction sur un intervalle de temps donné. Ce calcul est effectué à l'aide du coefficient stœchiométrique et de la pente de la ligne tangente à un moment précis.

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.

Vitesse volumique de réaction

La vitesse volumique de réaction, en chimie, la vitesse à laquelle une réaction chimique se déroule. 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.

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 constante de vitesse (k) est la constante de proportionnalité reliant la vitesse de la réaction aux concentrations des réactifs. 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 $$ Vitesse= k[A] $$

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.

Dans une réaction homogène, tous les réactifs sont dans le même état, tandis que dans une réaction hétérogène, les réactifs sont dans des états différents, comme un solide et un liquide.

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

Le rapport surface/volume d'un solide diminue avec l'augmentation de la taille du morceau. Cela signifie qu'il y a plus de molécules dans le noyau du morceau que sur la surface. Les molécules du noyau sont entourées des mêmes molécules et ne réagissent avec rien. Les réactions qui se produisent ont lieu à la surface du morceau solide. Si tu divises le morceau en deux, tu exposes d'innombrables molécules à la surface, ce qui augmente la surface.

Vitesse de réaction, Effets de la surface sur la vitesse de réaction, StudySmarterFig. 1- Avec une surface plus grande, la réactivité de la substance augmente de façon considérable.

La quantité de molécules capables de réagir augmente, ce qui accroît la réactivité. Ainsi, le fait d'avoir une plus grande surface augmente la vitesse de réaction. C'est pourquoi, lorsque tu dissous quelque chose dans l'eau, cela va plus vite si tu le casses avec un ustensile.

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.

Vitesse de réaction, Effet de la concentration sur la vitesse, StudySmarterFig 2- Avec un nombre accru de molécules en solution, il y a plus de chances qu'elles entrent en collision.

Lorsque tu travailles en laboratoire, il est très important de déterminer les concentrations initiales. En effet, certaines réactions ne se produisent pas si les concentrations sont trop faibles. Ce n'est pas parce qu'elles sont thermodynamiquement défavorables. Elles ne se réalisent simplement pas, car elles sont trop lentes à réagir. En réalité, certaines réagissent, mais elles sont si peu nombreuses qu'il est difficile pour nous de les observer.

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.

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.

Un grand nombre de catalyseurs artificiels conçus par les scientifiques sont basés sur les enzymes que l'on trouve dans le corps. La vie sur cette planète évolue depuis des milliards d'années. Cela signifie qu'il existe une enzyme derrière chaque processus biologique de toute vie sur Terre. Cela fournit d'excellents modèles que les scientifiques peuvent utiliser pour créer des catalyseurs en laboratoire. Les scientifiques ont créé des catalyseurs révolutionnaires qui permettent aux humains de continuer à vivre. Cependant, ils restent en deçà de ce que la nature peut réaliser. Bien que nous nous efforcions de l'égaler, la nature se révèle constamment plus intelligente que nous.

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.

Vitesse de réaction - Points clés

  • Le taux de réaction est une mesure de la vitesse de la réaction, qui compare la concentration en fonction du temps.
  • L'équation de vitesse pour la réaction générale \( aA+bB \rightarrow cC+dD \) est la suivante : \( Vitesse= - \frac{1}{a} \frac{ \Delta [A]}{ \Delta t}=- \frac{1}{b} \frac{ \Delta [B]}{ \Delta t}= + \frac{1}{c} \frac{ \Delta[C]}{ \Delta t}=+ \frac{1}{d} \frac{ \Delta [D]}{ \Delta t} \)
  • Au fur et à mesure que la réaction se déroule, les réactifs diminuent et les produits augmentent. Ceci est observé dans l'équation de vitesse avec les réactifs ayant un signe négatif et les produits ayant un signe positif.
  • Au fur et à mesure qu'une réaction se produit, le taux va diminuer, car les réactifs commencent à diminuer. Par conséquent, le taux de réaction sera différent selon l'intervalle de temps donné.
  • Plusieurs facteurs affectent la vitesse de réaction, notamment l'état physique des réactifs, la concentration, la température et la présence éventuelle d'un catalyseur.

Questions fréquemment posées en Vitesse de réaction

La vitesse de la réaction est déterminée à partir de la formule de l'équation globale de la réaction :

                                 aA + bB  →  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= -1/a ∆A/∆t = -1/b ∆B/∆t = +1/c ∆C/∆t = +1/d ∆D/∆t

La vitesse de réaction est une mesure de la rapidité avec laquelle une réaction chimique va se produire. Plus précisément, elle mesure un changement de concentration par rapport à un changement de temps

L'unité de la vitesse de réaction est généralement mol L−1s-1. La chose importante à noter est que la vitesse de réaction mesure la concentration en fonction du temps.  

Évaluation finale de Vitesse de réaction

Question

En gardant un réactif dans la phase gazeuse et un autre dans la phase solide, on augmente la vitesse de réaction, par opposition au fait de garder les deux dans la phase gazeuse.

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Réponse

Faux ?

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Question

Quelle est la vitesse de réaction ?

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Réponse

Une mesure de la progression actuelle d'une réaction.

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Question

Dans l'équation de vitesse d'une espèce qui réagit, pourquoi l'expression a-t-elle un signe positif ?

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Réponse

Il devrait avoir un signe négatif.

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Question

Dans une réaction typique, au fur et à mesure que les réactifs sont consommés, que se passe-t-il au niveau de la vitesse ?

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Réponse

Elle va augmenter.

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Question

Quels facteurs ont un effet sur la vitesse de la réaction ?

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Réponse

Énergie libre.

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Question

Quel est l'exemple d'une réaction favorable avec une faible vitesse ?

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Réponse

L'acide gastrique digère un repas lourd.

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Question

Comment les scientifiques déterminent-ils les taux de réaction pour les réactions rapides ?

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Réponse

Avec des appareils appelés spectromètres.

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Question

Quelle est la formule générale du taux d'un réactif ?

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Réponse

 $$ Rate= -(a) \frac{[A]}{ \Delta t} $$

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Question

Quelles sont les unités correctes pour la vitesse de réaction ?

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Réponse

$$ mol \ L^{-1} s^{-2} $$

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Question

En ______ la taille d'un morceau de sucre, tu _______ la vitesse à laquelle il se dissout dans l'eau.

Montrer la réponse

Réponse

Diminuer, augmenter.

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Question

En augmentant la concentration, on augmente le taux.

Montrer la réponse

Réponse

C'est vrai ?

Montrer la question

Question

Comment une enzyme affecte-t-elle une réaction ?

Montrer la réponse

Réponse

Il catalyse la réaction en abaissant la barrière d'activation.

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Question

Comment la température affecte-t-elle la vitesse de la réaction ?

Montrer la réponse

Réponse

La température diminue l'énergie d'activation de la réaction.

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Question

Pour une réaction donnée, on te donne une vitesse de \( 4,40 \times 10^{-3} mol L^{-1} s^{-1} \). Après les \( 20 \) premières secondes, la concentration finale de \( H^{+} \) est de \( 0,646 mol L^{-1} \). Quelle était la concentration initiale ?

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


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Réponse

$$ 0,602 mol \  L^{-1} s^{-1} $$.

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Question

Dans les \( 10,0 \) premières secondes d'une réaction, la concentration de\( I^{-} \) a diminué de \( 1,000 mol \  L^{-1} \) à \( 0,868 mol \  L^{-1} \). Quelle est la vitesse de réaction pour l'intervalle donné ?

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


Montrer la réponse

Réponse

$$ 4,40 \times10^{-3} mol \  L^{-1} s^{-1} $$.


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