Cinétique et catalyse

Sommaire

Introduction

Réactions rapides et réactions lentes

Les facteurs cinétiques

Les catalyseurs

Définition

Une réaction est rapide lorsqu’elle semble achevée quand 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.

Définition

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

Propriété

L’évolution d’un système chimique est d’autant plus rapide que les concentrations des réactifs sont élevées.

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.

Propriété

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

Montage en colonne sur ballon chauffant.

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

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.

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.

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.

Exemple de l'oxydation des ions iodure $I^-(aq)$ par les ions peroxodisulfate $S_2O_8^{2-}(aq)$

Sans catalyseur, c'est une réaction lente :

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

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

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

On a alors deux équations de réactions :

S_2O_8^{2-}(aq) + 2Fe^{2+}(aq) \rightarrow 2SO_4^{2-}(aq) + 2Fe^{3+}(aq)

2Fe^{3+}(aq)+2I^{-}(aq) \rightarrow 2Fe^{2+}(aq) + I_2(aq)

Ainsi, en présence de catalyseur $Fe^{2+}$ 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.

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.

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.

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