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Chapitre 6: Cinétique chimique

Plan

La cinétique chimique est l'étude du déroulement temporel des réactions chimiques.

Réactions lentes, réactions rapides

Réactions rapides

Une réaction est rapide si l'état final est atteint dès que les réactifs sont mis en contact.

réaction de précipitation de $\sf AgCl(s)$ lors du contact entre les solutions de nitrate d'argent $\sf (Ag^{+}+NO_{3}^{-})$ et le chlorure de sodium $\sf (Na^{+}+Cl^{-})$ :

réaction acido-basique entre l'acide chlorhydrique $\sf (H_{3}O^{+}+Cl^{-})$ et la soude $\sf (Na^{+}+HO^{-})$ :

réaction d'oxydoréduction entre l'ion permanganate $\sf MnO_{4}^{-}$ et l'ion fer(II) $\sf Fe^{2+}$ sachant que les couples mis en jeu sont : $\sf MnO_{4}^{-}/Mn^{2+}$ et $\sf Fe^{3+}/Fe^{2+}$

Réactions lentes

Une réaction est lente si elle dure plus de quelques secondes.

réaction d'oxydoréduction de l'ion thiosulfate $\sf S_{2}O_{3}^{2-}$ en milieu acide sachant que les demi équation redox sont:

\begin{aligned} \sf S_{2}O_{3}^{2-}&/S & &: & S_{2}O_{3}^{2-} + 6 H^{+} + 4 e^{-} &= 2 S + 3 H_{2}O \\[1ex] \sf SO_{2}&/S_{2}O_{3}^{2-}& &: & 2 SO_{2} + 2 H^{+} + 4 e^{-} &= S_{2}O_{3}^{2-} + H_ {2}O \\[1ex] \end{aligned}

réaction en chimie organique entre l'acide propanoïque et l'éthanol qui aboutit au propanoate d'éthyle.

Comment suivre l'évolution d'un système chimique ?

On peut suivre l'évolution d'une réaction chimique par une méthode physique si un des réactifs ou produit de la réaction est :

coloré : suivi ________________________________
ionique : suivi ________________________________
gazeux : suivi _______________________________

suivi spectrophotométrique de la réaction entre les ions iodure et l'eau oxygénée

Méthode chimique

Si la réaction est suffisamment lente, on peut utiliser une méthode chimique qui consiste à doser un échantillon du mélange réactionnel à divers instants.

Remarque : Lorsque l'échantillon est prélevé, il est plongé dans un bain de glace afin de bloquer l'évolution du système, cette opération est appelée trempe.

Temps de demi-réaction t_1/2

Temps de demi-réaction

Le temps de demi-réaction, noté t_1/2, est la durée nécessaire pour que la moitié de l'avancement final $x_f$ soit atteint.

x(t_{1/2}) = \frac{x_f}{2}

Quels sont les facteurs cinétiques d'une réaction ?

La vitesse d'évolution d'un système chimique augmente avec :

les concentrations des réactifs,
la température du système,
et dans le cas d'un solide, la surface de contact du réactif solide avec les autres réactifs.

Illustrations expérimentales

Cette playlist illustre les divers facteurs cinétiques:

Exp 1-Réactions rapides et lentes: La réduction de l'ion permanganate est rapide en présence d'ions fer(II), mais lente en présence d'acide oxalique.
Exp 2-Influence de la concentration des réactifs: Dans trois béchers posés sur un repère, on place 20 mL d’acide chlorhydrique molaire; on ajoute dans chaque bécher 20 mL d’une solution de thiosulfate de sodium de concentrations 0,05 mol/L ; 0,1 mol/L et 0,2 mol/L.
Exp 3- Influence de la température: Réduction de l'ion permanganate par l'acide oxalique à trois températures différentes.
Exp 4-Influence de la présence de catalyseurs: Décomposition de l'eau oxygénée: bécher 1: sans catalyseur, bécher 2: catalyse hétérogène avec un fil de cuivre, bécher 3: catalyse homogène avec des ions fer(III), bécher 4: catalyse enzymatique avec de la catalase.

Qu'est-ce qu'un catalyseur ?

Catalyseur

Un catalyseur est une espèce chimique qui accélère une réaction chimique sans être consommée par celle-ci ; sa formule n'apparaît donc pas dans l'équation de réaction.

Il existe trois types de catalyses:

catalyse homogène lorsque le catalyseur et tous les réactifs sont dans la même phase,
catalyse hétérogène si le catalyseur est dans une autre phase que les réactifs.(Par exemple un catalyseur solide dans une solution réactionnelle)
catalyse enzymatique si le catalyseur est une enzyme.

Les enzymes en biochimie

Une enzyme est une protéine dotée de propriétés catalytiques. Ci dessous est représentée l'enzyme PDB1OBB qui permet, dans l'organisme, d'accelérer la réaction de décomposition du maltose en deux molécules de glucose.

Par Thomas Shafee — Travail personnel, CC BY-SA 4.0, Lien

La représentation en ruban est utilisée pour représenter les structures en hélices des protéines qui sont construites autour de la liaison peptidique $\sf -CO-NH-$ .

Par Chemistry-grad-student — Travail personnel, CC BY-SA 3.0, Lien