Cinétique et catalyse en chimie

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1 Cinétique et catalyse en chimie I. Durée d'une transformation chimique : 1. Notions de transformation lentes et rapides : Transformation rapide : évolution quasi instantanée (durée < 1 seconde) Transformation lente : évolution pouvant être suivie à l œil nu (durée > 1 seconde) Transformation infiniment lente : évolution imperceptible (durée > 1 jour) exemple : réaction de précipitation de l'hydroxyde de cuivre (II). expérience à présenter. Évolution temporelle d'une transformation chimique : Lorsqu un système chimique évolue : - la quantité de matière des réactifs diminue. - la quantité de matière des produits de réaction augmente. - L avancement chimique de la réaction, noté x, augmente au fur et à mesure de l évolution du système. Il tend vers une valeur limite, appelée avancement final x f : Á l instant initial : x = 0 Á l instant final : x = x final tel que x f > 0 Rappel : L avancement maximal x max de la réaction correspond à la valeur de x qui annule la quantité de matière du réactif limitant. Remarque : dans le cas d une transformation chimique totale, le réactif limitant est entièrement consommé : x final = x max. Dans le cas de réaction nont totale xf<xmax, il n'y a pas de réactif limitant, un état d'équilibre cinétique s'installe. 3. Le temps de demi-réaction : Définition : Le temps de demi-réaction correspond à la durée nécessaire pour que l avancement x atteigne la moitié de sa valeur finale x final. On le note t 1/ et s'exprime en seconde (s). Détermination graphique : On détermine graphiquement x final par tracer de l'asymptote. x max On calcule. On reporte cette valeur sur le graphe x = f(t). On lit la valeur de t 1/ sur l axe des abscisses. tracer une courbe et faire démonstration Interprétation : Le temps de demi-réaction nous permet d'estimer le temps de réaction,on considère qu au bout d une durée t 5 t 1/, la transformation est terminée. Le système chimique a atteint son état final. 1/5

2 4. Méthodes de suivi temporel d'une transformation chimique : Le principe consiste à déterminer expérimentalement la relation existant entre l'avancement x du système et le temps t. Méthode qualitative : Suivi par CCM (Chromatographie sur Couche Mince) de la disparition d un réactif et/ou de l apparition d un produit de réaction. cf : TP suivi d'une transformation chimique par CCM Méthode quantitative : mesure de l évolution de la concentration d un réactif ou d un produit de réaction, ces concentrations peuvent être mesurées par différentes méthodes : Méthode chimique : On mesure directement par titrage l évolution de la concentration d un réactif ou d un produit de réaction en fonction du temps. on effectue le mélange des réactifs à intervalle de temps régulier on prélève une partie du mélange, qu'on refroidit brutalement pour arrêter la réaction. Cette manipulation est appelée une trempe on dose l'échantillon prélevé avec une autre espèce chimique. Méthode physique : On mesure l évolution d une grandeur physique liée à la concentration d un réactif ou d un produit de réaction en fonction du temps. l'absorbance au cours du temps A(t), dans le cas ou la concentration d'une espèce chimique colorée varie au cours du temps : spectrophotométrie. la conductivité s(t) au cours du temps, dans le cas ou la concentration d'un ou plusieurs ions varient au cours du temps : conductimétrie. la pression du mélange réactionnel P(t), cas ou la quantité de matière de gaz varie au cours du temps : manométrie. le volume de gaz produit V(t), cas ou la quantité de matière de gaz varie au cours du temps : volumétrie. II. Les facteurs Cinétiques : Définition d'un facteur cinétique : paramètre pouvant influer sur la vitesse d une transformation chimique. 1. Etude expérimentale : cf TP facteurs cinétiques d'une transformation chimique. Bilan : Influence de le température : De manière générale, plus la température du mélange réactionnel est grande, plus la transformation chimique est rapide. Conséquences : De nombreuses transformations nécessitent un chauffage du milieu réactionnel. Pour ralentir ou bloquer une transformation, il suffit de refroidir brutalement le milieu réactionnel : on parle de trempe. /5

3 Influence de la concentration en réactifs : De manière générale, plus la concentration initiale en réactifs est grande, plus la transformation chimique est rapide. Conséquences : En général, la vitesse d une transformation diminue avec le temps. En effet, la concentration en réactifs diminue au fur et à mesure de la transformation. Pour ralentir une transformation, on peut diluer le milieu réactionnel. 3. Autres exemples de facteurs cinétiques La surface de contact : Dans le cas d un réactif solide, plus la surface de contact avec les autres réactifs est grande, plus la réaction sera rapide. Conséquence : Pour augmenter la vitesse d une réaction mettant en jeu un solide, on utilise ce dernier sous forme de poudre finement divisée (on augmente ainsi la surface de contact disponible) La nature du solvant : Le solvant est le lieu de la réaction. Il peut favoriser ou défavoriser la rencontre des réactifs. Le choix du solvant peut donc influencer la vitesse de réaction. L'éclairement : l'exposition à la lumière peut dans certains cas augmenter la vitesse d'une réaction chimique ; on parle de réaction photosensible. Exemple : la synthèse chlorophyllienne. Les catalyseurs : voir plus loin. 4. Interprétation microscopique Notion de chocs efficaces : La matière est composée d entités microscopiques qui sont animées d un mouvement désordonné. Ces entités s entrechoquent continuellement. On parle d agitation moléculaire. Pour qu une réaction chimique ait lieu au cours d un choc, les réactifs mis en jeu doivent posséder une énergie suffisante. On parle de chocs efficaces. Plus la probabilité qu un choc efficace ait lieu est grande, plus la vitesse de réaction serra grande. Effet de la température : Si on augmente la température, on augmente l agitation moléculaire, c est-à-dire la fréquence des chocs et l énergie des entités chimiques, donc on augmente la probabilité de chocs efficaces. Bilan : Plus la température est élevée, plus la vitesse de réaction est grande. Effet de la concentration en réactif : Si on augmente la concentration en réactifs, on augmente la fréquence des chocs, donc on augmente la probabilité de chocs efficaces. Bilan : Plus la concentration en réactifs est élevée, plus la vitesse de réaction est grande. 3/5

4 III.La catalyse : 1. Définition et propriétés d'un catalyseur : Un catalyseur est une espèce chimique qui accélère une réaction chimique sans intervenir dans son équation bilan. Le catalyseur modifie les étapes permettant de passer des réactifs aux produits. Il permet, par exemple, de remplacer une réaction lente par rapides. Presque toutes les réactions biochimiques sont catalysées. Un catalyseur a un rôle purement cinétique : il ne peut accélérer qu'une réaction qui peut avoir lieu sans lui. Il ne modifie ni le sens d'évolution d'une transformation, ni la composition du système à l'état final. Un catalyseur est sélectif : son action est spécifique. Exemple : l'évolution de l'éthanol lors de son chauffage dépend du catalyseur utilisé (réactions non réalisables au lycée) : En présence de cuivre (catalyseur), l'éthanol subit une déshydrogénation : CH 3 CH OH CH 3 CH=O+H En présence d'alumine (oxyde d'aluminium Al O 3 ) il subit une déshydratation : CH 3 CH OH CH =CH +H O. Les différents types de catalyse : On distingue 3 types de catalyse : La catalyse homogène: le catalyseur et les réactifs forment un mélange homogène (ils se trouvent sous la même forme physique (solide, liquide ou gazeuse). Exemple : soit les deux couples d'oxydoréduction : I /I - (diiode, iodure) et S O 8 /SO 4 (peroxodisulfate, sulfate). Dans cette réaction les ions iodure sont oxydés lentement. En présence de l'ion Fe 3+ (couples Fe 3+ /Fe + ), la vitesse de réaction est plus importante. Il se produit nouvelles réactions. Au cours de la première : les ions Fe 3+ réagissent avec des ions iodure I -, tandis qu'au cours de la seconde, l'ion Fe + formé à la fin de la première réaction réagit avec l'ion peroxodisulfate (S O 8 ). La catalyse hétérogène: le catalyseur et les réactifs forment un mélange hétérogène (ils ne se trouvent pas sous la même forme physique). Exemple : le pot catalytique est recouvert de métaux nobles (platine, palladium). Lorsque les gaz d'échappement passent à travers le pot les métaux accélèrent l'oxydation du monoxyde de carbone en CO, la réduction des oxydes d'azote en diazote et l'oxydation des hydrocarbures non brulés en CO et H O. La catalyse enzymatique: les réactions biochimiques sont catalysés par des macromolécules organiques appelées enzymes. Ce sont des protéines élaborées par les systèmes vivants et présentant des cavités appelées sites actifs. C est dans ces sites que les réactifs se fixent pour agir. Exemple : la dégradation de l'éthanol dans l'organisme en ion éthanoate est réalisée en étapes: - étape 1: l'éthanol est oxydé en éthanal par l'enzyme ADH - étape : l'éthanal est oxydé en ion éthanoate par l'enzyme ALDH Oxydation des ions iodure par les ions peroxodisulfate 4/5

5 possibilité de faire par les élèves : écrire les demi-équations, l'équation bilan correction : Réaction lente : S O 8 (aq) +I - (aq ) SO 4(aq) +I (aq) En présence d ions Fe+, les ions peroxodisulfate sont oxydés et ils se forme des Fe 3+ selon la réaction rapide d équation : Fe + (aq) +S O 8(aq) Fe 3+ (aq) +SO 4(aq ) Les Fe 3+ formés réagissent à leur tour et oxydent les ions iodure selon la réaction rapide d équation : Fe 3+ - (aq) +I (aq) Fe + (aq) +I (aq) Le bilan est la somme des deux équations précédentes, c est-à-dire la première équation. S O 8 (aq) +I - (aq ) SO 4(aq) +I (aq) Le catalyseur n apparaît pas et on a remplacé une réaction lente par deux réactions rapides. Exercices d'application : 5/5