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1 Rappels d oxydo-réduction Un oxydant est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électron(s). Un réducteur est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs électron(s). Un couple oxydant/réducteur est formé d'un oxydant et d'un réducteur qui se correspondent dans une réaction d'oxydoréduction. oxydant + n.e - = réducteur : couple oxydant/réducteur Fe e - = Fe : couple Fe 2+ / Fe Fe 3+ + e - = Fe 2+ : couple Fe 3+ / Fe 2+ MnO H + + 5e - = Mn H 2 O : couple MnO - 4 / Mn 2+ Une oxydation est une perte d'électrons. Par exemple : Zn = Zn e - Une réduction est un gain d'électrons. Par exemple :Cu e - = Cu Une oxydoréduction est une réaction où deux couples rédox échangent un ou plusieurs électrons. Couples oxyd 1 /réd 1 et oxyd 2 /réd 2. L'oxydant le plus fort (par exemple oxyd 1 ) oxyde (prend un ou plusieurs électron(s)) le réducteur le plus fort (réd 2 ) : oxyd 1 + n 1 e - = réd 1 (x n 2 ) réd 2 = oxyd 2 + n 2 e - (x n 1 ) n 2.oxyd 1 + n 1.réd 2 = n 2.réd 1 + n 1.oxy 2 Pour écrire la demi-e quation d un couple redox, il faut respecter les règles suivantes : - Vérifier qu il y a, dans les deux membres, autant d atomes de l élément autre que l oxygène ou l hydrogène. - Si on a plus d oxygène dans un membre que dans l autre, on rétablit l équilibre en ajoutant des molécules d eau H 2 O. - Si on a plus d hydrogène dans un membre que dans l autre, on rétablit l équilibre en ajoutant des ions H +. - Pour rétablir l égalité des charges, on ajoute dans le membre qui contient trop de charges positives par rapport a l autre autant d électrons que nécessaire. On peut améliorer l écriture de l équation d une réaction d oxydo-réduction en milieu aqueux (solvant : eau) en tenant compte de l acidité ou de la basicité du milieu dans lequel elle se déroule : si c est en milieu acide, il faut transformer les ions H + en ions H 3 O +, si c est en milieu basique, il faut ajouter autant d ions HO - pour les transformer en molécules d eau. Cinetique ters Page 1

2 TS COMPRENDRE -C6- Temps et évolution chimique I Evolution temporelle d un système chimique 1) Classification des réactions Il existe des réactions rapides (non visible à l œil nu), des réactions lentes et des réactions infiniment lentes, la cinétique chimique s intéresse aux réactions lentes et cherche a connaitre leur évolution en fonction des différents paramètres expérimentaux. La durée d une réaction est la durée nécessaire pour que le système chimique associé passe de son état initial à son état final, c est à dire un état dans lequel il n y a plus d évolution possible. Pour décrire l évolution d un système chimique qui est le siège d une réaction lente, il faut suivre l augmentation de l avancement au cours du temps (spectrophotométrie, dosage...) 2) Suivi d une cinétique de réaction Suivi qualitatif : changement de couleur ; formation précipité, dégagement gazeux ou CCM en cours de réaction (voir exercices) Suivi quantitatif : On suit l avancement x de réaction au cours du temps (l évolution de la quantité de matière d un produit formé ou d un réactif qui est consommé) par dosage, spectrophotométrie (mesure absorbance), conductimétrie... Méthodes : Mesure de volume l un des produits est un gaz Mesure de pression les espèces sont en solution conductimétrie notion de titrage / équivalence oxydoréduction phmétrie une espèce est coloré spectrophotométrie / absorbance Cinetique ters Page 2

3 3) Tracé de suivi temporel de réaction Une transformation chimique peut être quantitativement suivie à l'aide de courbes traduisant l'évolution, dans le temps, de la quantité de matière d'une espèce du système. Cela permet de voir l évolution de la vitesse de la réaction au cours de l avancement de la réaction (pente de la tangente à la courbe d évolution) et le temps de demi-réaction. 4) temps de demi-réaction Le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l'avancement x est égal à la moitié de l'avancement final : t = t 1/2, x = x final / 2 Si la transformation est totale, x f = x max ; à t = t 1/2, x = x max / 2 Détermination : On calcule x max à partir du réactif limitant dans le tableau d'avancement. x = x max / 2 En reportant cette valeur sur la courbe x=f(t) on déduit par simple lecture graphique la valeur de t 1/2. II FACTEURS CINETIQUES Définition : Un facteur cinétique est une grandeur qui modifie la vitesse avec laquelle se produit une transformation chimique. 1) Température En général, plus la température du milieu réactionnel est élevée, plus la transformation est rapide. Inversement plus la température du milieu est basse plus la transformation est lente et peut même être bloquée. illustration microscopique : 2) Concentration D'une manière générale, plus les concentrations initiales des réactifs sont élevées plus la transformation est rapide. Au cours d'une réaction, la vitesse diminue constamment car la concentration des réactifs décroit au cours de l'avancement. illustration microscopique : Applications : Accélérer certaines transformations dans l'industrie pour les rendre plus rentables. Refroidir brutalement certains milieux réactionnels pour stopper certaines transformations (cela s'appelle une "trempe"). Un réfrigérateur et un congélateur permettent de ralentir les transformations de dégradation biochimiques des aliments. La cuisson des aliments est accélérée dans un autocuiseur car la température y est élevée. Cinetique ters Page 3

4 III CATALYSE Une transformation est dite catalysée lorsque l on ajoute à la composition initiale du système, une molécule qui ne va pas intervenir dans le bilan, mais qui va accélérer la vitesse de la réaction considérée. Cette molécule est appelée un catalyseur Mise en évidence expérimentale : Nous allons travailler avec l eau oxygénée, de formule H 2 O 2. Celle-ci appartient à deux couples oxydoréducteur : H 2 O 2(aq) /H 2 O (l) et O 2(g) / H 2 O 2(aq) La concentration des solutions de peroxyde d hydrogène H 2 O 2(aq) est généralement donnée en volumes : si on utilise une solution à 20 volumes, c est que 1L de solution peut libérer 20L de dioxygène dans les conditions normales de température et de pression (0 C, 1013 hpa). L eau oxygénée n est pas une espèce chimique stable, mais métastable (on ne voit pas sa transformation car elle est très lente, mais elle se produit effectivement). Si elle n est pas conservée au froid, elle se dismute (Se dismuter peut vouloir dire simplement réagir avec soi-même) selon l équation : H2O2 (aq) + 2 H+(aq) + 2 e - = 2 H2O (l) H2O2 (aq) = O2 (g) + 2 H + (aq) + 2 e - 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 gaz Cette réaction peut être catalysée de trois manières différentes : a. Catalyse par un morceau de platine : Mettre une solution de peroxyde d hydrogène à 20 volumes dans un bécher et la porter à 50 C environ. Plongeons un fil de platine dans la solution. Observons. Plongeons un disque de platine ou du platine fortement divisé. Observons : _ La réaction a été accélérée par la présence de platine puisqu on observe un dégagement important que l on n observait pas sans catalyseur. _ Cette réaction illustre la catalyse hétérogène, le catalyseur est dans un état physique différent des réactifs de la réaction qu il catalyse. Cinetique ters Page 4

5 b. Catalyse par les ions ferriques : Dans trois tubes à essais, on verse de l eau oxygénée à 20 volumes jusqu au milieu du tube environ. On ajoute dans le premier tube 1mL de solution de chlorure de fer III à 1mol/L, dans le deuxième 1mL de solution de fer III à 0.5 mol/l et dans le troisième 1mL de solution de chlorure de fer III à 0.1mol/L. Observons : _ Dans chaque bécher, on observe un dégagement gazeux ce qui prouve que les ions Fer III catalyse la réaction de dismutation de l eau oxygénée. _ On observe également que le dégagement gazeux est plus important dans le tube où la solution de chlorure de fer III a une concentration élevée. _ Cette réaction illustre la catalyse homogène, le catalyseur est dans le même état physique que les réactifs de la réaction qu il catalyse. c. Catalyse par la catalase : La catalase est une enzyme, c est à dire une protéine (enchaînement d acides aminés) qui catalyse les réactions biologiques. Cette enzyme contient les ions fer II, qui vont, nous allons le voir, réaliser une catalyse de la réaction de dismutation de H2O2. Dans un bécher contenant une solution d eau oxygénée à 20 volumes, mettre un morceau de foie haché. Observons : _ Dans cette expérience, on observe un dégagement gazeux. On en conclue que l enzyme catalase catalyse la réaction de dismutation d eau oxygénée. _ La catalyse en présence de catalase se nomme simplement la catalyse enzymatique. Remarque : Lorsque l on soigne une plaie à l eau oxygénée, on observe généralement une légère effervescence : celle-ci est due à la réaction de dismutation par l eau oxygénée catalysée par les ions fer II (contenu dans le sang). Ainsi on détruit l eau oxygénée, toxique pour l organisme. Cinetique ters Page 5

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