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Cinétique et catalyse

Réactions lentes et réactions rapides

Définition

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.

Définition

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.

Définition

La durée d’évolution des systèmes chimiques est variable. La cinétique chimique est l’étude du déroulement temporel des réactions chimiques.

Facteurs cinétiques d'une réaction

Définition

Il existe divers paramètres qui influent sur la rapidité d’évolution des systèmes, ce sont les facteurs cinétiques de la réaction.

Influence de la concentration

Propriété

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.

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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.

Influence de la température

Propriété

L’évolution d’un système chimique est d’autant plus rapide que sa température est élevée.

Montage en colonne sur ballon chauffant.

Montage en colonne sur ballon chauffant.

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...

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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.

Autres facteurs cinétiques

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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

Les catalyseurs

Caractéristiques

Définition

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.

Exemple

Pour le peroxyde d’hydrogène H2O2H_2O_2, sa décomposition en H2OH_2O et O2O_2 est très lente. On peut l’accélérer avec du platine, des ions Fer III ou de la catalase.

Définition

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.

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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.

Mode d'action

Exemple

Oxydation des ions iodure I(aq)I^-(aq) par les ions peroxodisulfate S2O82(aq)S_2O_8^{2-}(aq)

Sans catalyseur, c'est une réaction lente :

S2O82(aq)+2I(aq)2SO42(aq)+I2(aq)S_2O_8^{2-}(aq) + 2I^-(aq) \rightarrow 2SO_4^{2-}(aq) + I_2(aq)

On peut la catalyser à l’aide des ions Fe2+Fe^{2+}.

En effet, l’oxydation des ions Fe2+Fe^{2+} par les ions S2O82(aq)S_2O_8^{2-}(aq) et l’oxydation des ions II^- par les ions Fe3+Fe^{3+} sont rapides.

On a alors deux équations de réactions :

S2O82(aq)+2Fe2+(aq)2SO42(aq)+2Fe3+(aq)S_2O_8^{2-}(aq) + 2Fe^{2+}(aq) \rightarrow 2SO_4^{2-}(aq) + 2Fe^{3+}(aq)
2Fe3+(aq)+2I(aq)2Fe2+(aq)+I2(aq)2Fe^{3+}(aq)+2I^{-}(aq) \rightarrow 2Fe^{2+}(aq) + I_2(aq)

Ainsi, en présence de catalyseur Fe2+Fe^{2+} la première réaction lente est remplacée les deux réactions rapides ci-dessus.

Remarque

En faisant l'addition des deux réactions rapides, on obtient l'équation la réaction lente.

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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.

Remarque

Certaines réactions sont catalysées par un de leurs produits : on parle de réactions autocatalytiques.

Catalyse, industrie et biologie

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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.

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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.

Suivi de l'évolution d'un système

Méthodes chimiques

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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.

Méthode de la trempe.

Méthode de la trempe.

Les méthodes chimiques sont utilisées sur des réactions lentes.

Méthodes physiques

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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.

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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.

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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.

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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.

Durée et réaction et temps de demi-réaction

Pour caractériser la rapidité d’évolution d’un système, on peut s’intéresser à la durée de réaction.

Définition

On appelle durée d’une réaction chimique le temps tft_f nécessaire à la consommation totale du réactif limitant.

Pour t=tft = t_f, l’avancement xx a atteint sa valeur maximale xmaxx_{max}.

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.

Définition

Le temps de demi-réaction noté t1/2t_{1/2} est la durée nécessaire pour que la moitié du réactif limitant soit consommée.

Pour t=t1/2t = t_{1/2}, l’avancement x1/2x_{1/2} a atteint la moitié de sa valeur maximale xmaxx_{max} :

x1/2=xmax2x_{1/2}=\frac{x_{max}}{2}
Détermination du temps de demi-réaction.

Détermination du temps de demi-réaction.

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On admet qu’un système chimique cesse d’évoluer au bout d’une durée de l’ordre que quelques t1/2t_{1/2} et non 22 fois t1/2t_{1/2} comme on pourrait naturellement le penser.

Commentaires

Yué Altais

0
il y a 5 ans
Bonjour, Dans la partie B. Mode d'action, je vous conseille de préciser la categorie de catalyseur (dans l'exemple c'est un catalyseur homogène)
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Arnaud

0
il y a 4 ans
Bonjour peut on imprimer le cour
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