Une réaction est rapide lorsqu’elle semble achevée lorsque les réactifs entrent en contact.
On trouve dans ce cas les précipitations, des réactions acido-basiques et d’oxydoréduction.
Une réaction est lente lorsqu’elle dure de quelques secondes à plusieurs dizaines de minutes.
Ce sont les réactions au cours desquelles de nombreuses liaisons sont rompues et d’autres formées.
On y trouve beaucoup de réactions d’oxydoréduction, de chimie organique, en biochimie et en biologie.
La durée d’évolution des systèmes chimiques est variable. La cinétique chimique est l’étude du déroulement temporel des réactions chimiques.
Il existe divers paramètres qui influent sur la rapidité d’évolution des systèmes, ce sont les facteurs cinétiques de la réaction.
L’évolution d’un système chimique est d’autant plus rapide que les concentrations des réactifs sont élevées.
Cela s’explique à l’échelle microscopique en considérant que plus les concentrations sont élevées, plus la probabilité de contact entre les réactifs est grande. Et donc une plus grande probabilité de réaction.
Pour les réactifs solides, c’est la surface de contact qui va influer sur la probabilité de contacts.
Le facteur cinétique essentiel à un réactif solide est l’étendue de sa surface de contact avec les autres réactifs.
La réaction est d’autant plus rapide que cette surface est grande.
L’évolution d’un système chimique est d’autant plus rapide que sa température est élevée.
Encore une fois, on peut l’expliquer au niveau microscopique par l’agitation plus grande à plus haute température et donc une plus grande probabilité de chocs, et donc de réactions. Applications :
les réactions trop lentes à température ordinaires sont réalisées à des températures plus élevées
la cuisson des aliments s’accompagne de réactions chimiques, plus rapides à température plus élevée
un mélange comburant-combustible est inerte à température ambiante...
A l’inverse, on peut ralentir des réactions chimiques en refroidissant le système, c’est le cas pour la conservation des aliments, par exemple.
On peut même stopper les réactions chimiques en réalisant une trempe, c’est-à-dire en baissant brutalement la température du système.
Il existe d’autres facteurs cinétiques tels que :
l’éclairement. Quelques exemples : la synthèse chlorophyllienne, le bronzage, la synthèse de la vitamine D...
le solvant
la présence de catalyseurs
Un catalyseur est une espèce qui accélère une réaction chimique sans être consommée par celle-ci.
Sa formule n'apparaît pas dans l’équation de la réaction.
Pour le peroxyde d’hydrogène , sa décomposition en et est très lente. On peut l’accélérer avec du platine, des ions Fer III ou de la catalase.
Lorsque le catalyseur et tous les réactifs sont dans la même phase, la catalyse est dite homogène.
Dans le cas contraire elle est hétérogène.
La catalyse est enzymatique si le catalyseur est une enzyme.
Dans le cas d’une catalyse homogène, la réaction est d’autant plus rapide que la concentration du catalyseur est élevée.
Dans le cas de la catalyse hétérogène, la réaction sera d’autant plus rapide que la surface du catalyseur est importante.
Oxydation des ions iodure par les ions peroxodisulfate
Sans catalyseur, c'est une réaction lente :
On peut la catalyser à l’aide des ions .
En effet, l’oxydation des ions par les ions et l’oxydation des ions par les ions sont rapides.
On a alors deux équations de réactions :
Ainsi, en présence de catalyseur la première réaction lente est remplacée les deux réactions rapides ci-dessus.
En faisant l'addition des deux réactions rapides, on obtient l'équation la réaction lente.
Un catalyseur modifie la nature des étapes permettant de passer des réactifs aux produits : la réaction globale, lente, est remplacée par plusieurs réactions plus rapides.
Certaines réactions sont catalysées par un de leurs produits : on parle de réactions autocatalytiques.
Un même mélange réactionnel peut donner plusieurs réactions conduisant à des produits différents.
Dans l’industrie, on choisira un catalyseur permettant d’accélérer spécifiquement une des réactions.
Un catalyseur est sélectif : son action est spécifique.
En biologie, les réactions se produisant dans les organismes vivants sont souvent catalysées par des macromolécules appelées « enzymes ».
Leur sélectivité est très importante puisque liée à la structure spatiale de ces molécules.
Les enzymes sont très utilisées dans l’industrie agroalimentaire (pain, boissons fermentées, conservation, ...). Ce sont des catalyseurs très efficaces, plus efficaces que d’autres espèces chimiques.
A intervalles de temps réguliers, on prélève un échantillon du mélange réactionnel.
On bloque son évolution par une trempe puis on détermine la concentration d’un des réactifs consommés ou d’un des produits formés, par titrage.
On peut alors en déduire l’avancement de la réaction.
Les méthodes chimiques sont utilisées sur des réactions lentes.
L’avancement du système est déterminé à partir de la mesure d’une grandeur physique (absorbance, pression, volume, conductivité, ...). Les méthodes physiques permettent des mesures en continu, ne perturbent pas le système réactionnel et sont bien adaptées à l’étude des évolutions rapides.
Mesure d'absorbance ou spectrophotométrie
Lorsqu’un des réactifs ou l’un des produits est coloré, l’absorbance du système va évoluer. L’application de la loi de Beer-Lambert permet de déterminer la concentration de cette espèce colorée et d’en déduire l’avancement.
Mesure de la conductivité ou conductimétrie
Lorsque la réaction consomme ou produit des espèces ioniques, la conductivité électrique varie. Sa mesure permet alors de déterminer la composition du système et donc l’avancement.
Mesure de la pression ou manométrie
Lorsque la réaction consomme ou produit des gaz, la pression varie. La mesure de la pression permet alors de déterminer la composition du système et donc l’avancement.
Pour caractériser la rapidité d’évolution d’un système, on peut s’intéresser à la durée de réaction.
On appelle durée d’une réaction chimique le temps nécessaire à la consommation totale du réactif limitant.
Pour , l’avancement a atteint sa valeur maximale .
Lorsque le système évolue très lentement, il est difficile de savoir à quel moment la réaction est terminée. On va alors caractériser la vitesse d’évolution du système grâce au temps de demi-réaction.
Le temps de demi-réaction noté est la durée nécessaire pour que la moitié du réactif limitant soit consommée.
Pour , l’avancement a atteint la moitié de sa valeur maximale :
On admet qu’un système chimique cesse d’évoluer au bout d’une durée de l’ordre que quelques et non fois comme on pourrait naturellement le penser.