UE Spécifique Pharmacie Chimie-Physique. Cinétique chimique. E. Baudrin

Documents pareils
EXERCICE II. SYNTHÈSE D UN ANESTHÉSIQUE : LA BENZOCAÏNE (9 points)

SUIVI CINETIQUE PAR SPECTROPHOTOMETRIE (CORRECTION)

Rappels sur les couples oxydantsréducteurs

Suivi d une réaction lente par chromatographie

LABORATOIRES DE CHIMIE Techniques de dosage

INTRODUCTION À L'ENZYMOLOGIE

THEME 2. LE SPORT CHAP 1. MESURER LA MATIERE: LA MOLE

K W = [H 3 O + ] [OH - ] = = K a K b à 25 C. [H 3 O + ] = [OH - ] = 10-7 M Solution neutre. [H 3 O + ] > [OH - ] Solution acide

DM n o 8 TS Physique 10 (satellites) + Chimie 12 (catalyse) Exercice 1 Lancement d un satellite météorologique

SESSION 2013 ÉPREUVE À OPTION. (durée : 4 heures coefficient : 6 note éliminatoire 4 sur 20) CHIMIE

TP : Suivi d'une réaction par spectrophotométrie

Vitesse d une réaction chimique

TS1 TS2 02/02/2010 Enseignement obligatoire. DST N 4 - Durée 3h30 - Calculatrice autorisée

Physique : Thermodynamique

β-galactosidase A.2.1) à 37 C, en tampon phosphate de sodium 0,1 mol/l ph 7 plus 2-mercaptoéthanol 1 mmol/l et MgCl 2 1 mmol/l (tampon P)

LES SUBSTITUTIONS NUCLÉOPHILES EN SÉRIE ALIPHATIQUE S N 1 ET S N 2

ACIDES BASES. Chap.5 SPIESS

Partie Observer : Ondes et matière CHAP 04-ACT/DOC Analyse spectrale : Spectroscopies IR et RMN

Fiche de révisions sur les acides et les bases

MESURE DE LA TEMPERATURE

- pellicule de fruits qui a un rôle de prévention contre l'évaporation, le développement de moisissures et l'infection par des parasites

1.2 Coordinence. Notion de liaison de coordinence : Cas de NH 3. et NH 4+ , 3 liaisons covalentes + 1 liaison de coordinence.

Chapitre 11: Réactions nucléaires, radioactivité et fission

Partie 1. Addition nucléophile suivie d élimination (A N + E) 1.1. Réactivité électrophile des acides carboxyliques et groupes dérivés

C2 - DOSAGE ACIDE FAIBLE - BASE FORTE

BTS BAT 1 Notions élémentaires de chimie 1

Exercices sur le thème II : Les savons

BAC BLANC SCIENCES PHYSIQUES. Durée : 3 heures 30

Contenu pédagogique des unités d enseignement Semestre 1(1 ère année) Domaine : Sciences et techniques et Sciences de la matière

PHYSIQUE-CHIMIE. Partie I - Spectrophotomètre à réseau

Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

TP 3 diffusion à travers une membrane

Niveau 2 nde THEME : L UNIVERS. Programme : BO spécial n 4 du 29/04/10 L UNIVERS

Titre alcalimétrique et titre alcalimétrique complet

EXERCICE 2 : SUIVI CINETIQUE D UNE TRANSFORMATION PAR SPECTROPHOTOMETRIE (6 points)

BAC BLANC 2014 / CORRECTİON

EXERCİCE N 1 : «Synthèse de l éthanamide» (7 pts)

Comment suivre l évolution d une transformation chimique? + S 2 O 8 = I SO 4

1 ère partie : tous CAP sauf hôtellerie et alimentation CHIMIE ETRE CAPABLE DE. PROGRAMME - Atomes : structure, étude de quelques exemples.

Energie nucléaire. Quelques éléments de physique

STÉRILISATION. Réduction des populations. nonus 1

REACTIONS D OXYDATION ET DE REDUCTION

CONCOURS COMMUN 2010 PHYSIQUE

5.5.5 Exemple d un essai immunologique

Transport des gaz dans le sang

TRAVAUX PRATIQUESDE BIOCHIMIE L1

ANALYSE SPECTRALE. monochromateur

Introduction à la cinétique enzymatique

Etudier le diagramme température-pression, en particulier le point triple de l azote.

C4: Réactions nucléaires, radioactivité et fission

Les solutions. Chapitre 2 - Modèle. 1 Définitions sur les solutions. 2 Concentration massique d une solution. 3 Dilution d une solution

Chap 1: Toujours plus vite... Introduction: Comment déterminer la vitesse d une voiture?

Résonance Magnétique Nucléaire : RMN

U-31 CHIMIE-PHYSIQUE INDUSTRIELLES

CORRIGE. CHAP 04-ACT PB/DOC Electrolyse de l eau 1/12 1. ALIMENTATION ELECTRIQUE D'UNE NAVETTE SPATIALE

Transport des gaz dans le sang

Séquence 5 Réaction chimique par échange de protons et contrôle de la qualité par dosage

Premier principe : bilans d énergie

pka D UN INDICATEUR COLORE

TECHNIQUES: Principes de la chromatographie

AIDE-MÉMOIRE LA THERMOCHIMIE TABLE DES MATIERES

Site : mail : mennier@isnab.fr SUJET ES - session 2003 Page 1 68-(7(6VHVVLRQ

DÉTERMINATION DU POURCENTAGE EN ACIDE D UN VINAIGRE. Sommaire

BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEUR QUALITÉ DANS LES INDUSTRIES ALIMENTAIRES ET LES BIO-INDUSTRIES

A chaque couleur dans l'air correspond une longueur d'onde.

2 C est quoi la chimie?

AGREGATION DE BIOCHIMIE GENIE BIOLOGIQUE

BACCALAURÉAT GÉNÉRAL PHYSIQUE-CHIMIE

Enseignement secondaire

4. Conditionnement et conservation de l échantillon

BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE

SECTEUR 4 - Métiers de la santé et de l hygiène

TS 31 ATTAQUE DE FOURMIS!

SP. 3. Concentration molaire exercices. Savoir son cours. Concentrations : Classement. Concentration encore. Dilution :

Circuits RL et RC. Chapitre Inductance

Le ph, c est c compliqué! Gilbert Bilodeau, agr., M.Sc.

Burette TITRONIC Titrateurs TitroLine

CHAPITRE VI : HYBRIDATION GEOMETRIE DES MOLECULES

259 VOLUMETRIE ET TITRATION DOSAGE DU NaOH DANS LE DESTOP

Centre Universitaire LA CITADELLE 220, avenue de l Université B.P DUNKERQUE CEDEX 1 GUIDE DES ETUDES LICENCE PROFESSIONNELLE

AGRÉGATION DE SCIENCES DE LA VIE - SCIENCES DE LA TERRE ET DE L UNIVERS

Manuel de validation Fascicule v4.25 : Thermique transitoire des structures volumiques

Physique Chimie. Réaliser les tests de reconnaissance des ions Cl -,

Compétence 3-1 S EXPRIMER A L ECRIT Fiche professeur

P17- REACTIONS NUCLEAIRES

Physique Chimie. Utiliser les langages scientifiques à l écrit et à l oral pour interpréter les formules chimiques

TITRONIC et TitroLine. Les nouveaux titrateurs et burettes

(aq) sont colorées et donnent à la solution cette teinte violette, assimilable au magenta.»

Mesures calorimétriques

Conception de Médicament

Semi-conducteurs. 1 Montage expérimental. Expérience n 29

Spectrophotométrie - Dilution 1 Dilution et facteur de dilution. 1.1 Mode opératoire :

Premier principe de la thermodynamique - conservation de l énergie

GUIDE DE BONNES PRATIQUES POUR LA COLLECTE DE PILES ET ACCUMULATEURS AU LUXEMBOURG

Perrothon Sandrine UV Visible. Spectrophotométrie d'absorption moléculaire Étude et dosage de la vitamine B 6

Stabilité et Réactivité Nucléaire

ChimGéné 1.3. Guide d utilisation. Auteur : Alain DEMOLLIENS Lycée Carnot - Dijon avec la collaboration de B. DIAWARA Ecole de Chimie de Paris

HRP H 2 O 2. O-nitro aniline (λmax = 490 nm) O-phénylène diamine NO 2 NH 2

Transformations nucléaires

1 Thermodynamique: première loi

Transcription:

UE Spécifique Pharmacie Chimie-Physique Cinétique chimique E. Baudrin

Rappel: avancement d une réaction aa + bb Instant initial Etat final Réaction équilibrée t=0 t na nb na-a nb-b cc + dd 0 0 c d Valeur maximale de (notée max) : plus petite valeur de qui entraîne la disparition d'un des réactifs, le réactif en défaut. Taux d'avancement d'une réaction : = ( eq / max) x 00 Notion utile notamment 2 pour l étude des équilibres pour les études cinétiques

Objet de la cinétique chimique Thermodynamique: prédit la possibilité de réaliser les réactions permet de prévoir les échanges d énergie Cinétique: permet de répondre aux questions ) A quelle vitesse se produit la réaction 2) Quels sont les facteurs qui influencent la vitesse? (concentrations, température, catalyse, ) 3) Quels sont les mécanismes Aspect thermodynamique et aspect cinétique = notions complémentaires 3

Notions expérimentales de la vitesse d une réaction aa bb cc dd t na0-a nb0-b La vitesse de la réaction est définie par Soit à volume constant: De même: d[b] d[c] d[d] v 4 b dt c dt d dt c v d d dt d[ A] v a dt

Suivit expérimental On peut suivre l évolution des quantités de matières des réactifs ou des produits Réactifs Produits [C] 5

Réaction élémentaire Réaction élémentaire = réaction simple qui résulte du choc de 2 molécules (ou 3) Réaction élémentaire = choc Ex: (CH 3 ) 3 CCl OH (CH 3 ) 3 COH Cl OH- (CH 3 ) 3 C Cl 6 La réaction élémentaire ne peut être plus décomposée

Influence de la concentration sur la vitesse: ordre d une réaction Si on a une réaction élémentaire aa + bb cc La vitesse est fonction des concentrations des réactifs suivant la loi empirique: v k [ A ]a [ B ]b Pour une réaction élémentaire l ordre global est appelé molécularité v2 Si on a une réaction élémentaire: aa + B cc + D v v k [ A]a [B] c v 2 k 2 [C] [D] 7 c k [C]eq [D]eq K a k 2 [ A]eq [B]eq

Ordre d une réaction: cas général aa bb cc dd v k[ A ] [ B ] : ordre partiel par rapport à A : ordre partiels par rapport à B = ordre global de la réaction L ordre d une réaction bilan dépend du mécanisme réel de la réaction chimique, donc de la molécularité de chaque étape élémentaire La loi de vitesse est une loi expérimentale k: - constante de vitesse - dépend de la température - l unité de k dépend de l ordre global de la réaction 8

Dégénérescence d ordre aa bb cc dd v k[ A] [B] Les ordres partiels de réactions peuvent être déterminés en prenant expérimentalement une concentration de l un des réactif beaucoup plus élevée que les autres k et k sont des constantes de vitesse apparentes et dépendent des 9 vitesse réelle ne dépend que de T concentration initiales. k constante de

Influence de la température: loi d Arrhenius La constante de vitesse évolue suivant la loi d Arrhenius: Ea k A exp( ) RT A : facteur préexponentiel indépendant de T Ea: énergie d activation, toujours positive R: constante des gaz parfaits Lnk LnA0 Pente=-Ea/R L énergie d activation est l énergie que les molécules doivent acquérir pour pouvoir réagir /T 0

Interprétation: théorie du complexe activé Réaction = choc entre molécules Passage par un état activé (complexe activé)

Détermination des lois cinétiques «Modèles» empiriques 2

Lois cinétiques: Réaction d ordre 0 De façon générale, on cherche à trouver une équation qui relie la concentration (ou la pression) et le temps de réaction C est l équation cinétique qui dépend du mécanisme et donc de l ordre de réaction Examen du cas où on considère un seul réactif C est-à-dire décomposition/évolution d un réactif Ou conditions de dégénérescence d ordre aa... Àt=0 Àt [A]0 [A]0-a d [ A] v k[ A] a dt Ordre 0 3 [ A] [ A]0 kat

Cinétique d ordre 0 [ A] [ A]0 kat La concentration évolue linéairement avec le temps de réaction Exemple: élimination de l alcool dans le sang Concentration d alcool dans le sang (g/dl) Pente = -ka 4

Cinétique d ordre aa... Àt=0 Àt [A]0 [A]0-a Condition initiale: t = 0, [A] = [A]0 [ A] [ A]0 e kat Ln[A] Ln[A]0 Ln[ A] Ln[ A]0 kat Pente=-ka t 5

Réaction d ordre 2 aa... Àt=0 Àt [A]0 [A]0-a Condition initiale: t = 0, [A] = [A]0 [ A] Pente=ka [ A ]0 t 6 kat [ A ] [ A ]0

Réaction d ordre > 2 aa... Àt=0 [A]0 Àt [A]0-a kat n ( n ) [ A] ( n ) [ A]0 n Ordre 0 ] A [ 2 Temps [ A] [ A]0 kat Ln[ A] Ln[ A]0 kat kat 7 [ A ] [ A ]0

Temps de demi réaction C est le temps au bout duquel la moitié du produit initial a disparu Ordre 0 t/ 2 Ordre t/ 2 Ln 2 ka Ordre 2 t / 2 ka[ A]0 8 [ A ]0 2ka

Application : désintégrations radioactives Les désintégrations radioactives sont des exemples classiques de cinétique du premier ordre. La vitesse de désintégration est proportionnelle au nombre de noyaux NA: A... dn A v N A dt Temps de demi-réaction = période, noté T N A N 0A e t T Ln 2 Exemple: la période de l iode 28 est 24,8 minutes, quel est le nombre d atomes de cet isotope dans,28 g à t = 60 minutes? 9

Réaction comportant plusieurs réactifs C est le cas usuel le plus général aa bb cc dd Àt=0 [A]0 [B]0 0 0 d v k ([ A]0 a ) ([B]0 b ) dt L intégration est complexe dans le cas général 20 d ordre pour simplifier la détermination En général, on opère par dégénérescence

Méthodes expérimentales de détermination des ordres de réaction Trois paramètres cinétiques peuvent être déterminés: - Les ordres partiels et l ordre global de réaction - La constante de réaction - L énergie d activation Pour cela il faut être capable de suivre soit des quantités de matière des réactifs soit des produits - Pour les réactifs/produits gazeux, détermination de la pression partielle - Pour les électrolytes (sels dissous chargés) mesure de la conductivité - Apparition ou disparition d une substance chirale: pouvoir rotatoire - Utilisation de méthodes spectroscopiques - Dosage chimique d un réactif ou d un produit ou réactif après prélèvement Toutes les méthodes permettant de quantifier 2 l évolution sont utilisables

Détermination de Ea Loi d Arrhenius k A exp( Ea ) RT Si on connaît l ordre: =0 [ A] [ A]0 kat = Ln[ A] Ln[ A]0 kat =2 = n (avec n>) kat [ A ] [ A ]0 ( n ) kat n n [ A] [ A ]0 22

Exemple de détermination de Ea La constante de vitesse de la réaction de dissociation de l iodure d hydrogène en dihydrogène et en diiode a été mesurée à différentes températures T(K) 500 600 700 800 K(L.mol-.s-) 3,2.0-9 4,85.0-6 9,0.0-4 4,6.0-2 HI H 2 I 2 2 2 Quel est l ordre de la réaction? Calculer l énergie d activation. 23

Méthode intégrale pour la détermination des ordres de réaction Méthode fastidieuse: on suppose un ordre, on vérifie si la loi cinétique pour cet ordre est vérifié, si ce n est pas le cas, on essaie avec un autre ordre Ex: aa cc + dd On mesure la concentration de A en fonction du temps à T fixe Si ordre 0 [ A] [ A]0 kat On trace [A] en fonction de t Si ce n est pas linéaire, on essaie avec ordre Ln[A] Ln[ A] Ln[ A]0 kat Ln[A]0 24 Pente=-ka t

Exemple méthode intégrale On réalise un mélange d acide éthanoïque et d éthanol (en excès). La réaction est: CH 3 COOH C 2 H 5 OH CH 3 COOC 2 H 5 H 2 O L acide éthanoïque restant est dosé par une solution de soude cnaoh = 0,0 mol.l- sur des prélèvements de 0ml du milieu réactionnel. Les volumes équivalents sont: t(min) 0 50 00 200 300 400 500 Veq(mL) 3,2 27,8 24,8 9,7 5,6 2,4 3,2 25

Exemple méthode intégrale 0.35 0.3 ] e0.25 u q i o n 0.2 a h té 0.5 e d ic 0. A [ - Pas un ordre 0 ]e-.5 u q i o n -2 a h té e d ic-2.5 A [ n -3 L 0.05 0-200 0 200 400 600 800 000 200 t (min) -3.5-200 35 200 400 600 t (min) 30 ]e u 25 q i o n 20 a h té e 5 id c A [/ 0 5 0-200 0 0 200 400 600 t (min) 800 000 200 26 800 000 200

Méthode des temps de demiréaction t/2, le temps pour lequel la moitié du réactif a été consommé, dépend de l ordre Ordre 0 t/2 Proportionnel Indépendant à [A]0 de [A]0 Equation générale Lnt / 2 Ordre t/ 2 2 n (n )[ A]n0 ka 2 n Ln( ) (n )Ln[ A]0 (n )ka 27 Ordre 2 Ordre n Inversement proportionnel à [A]0 Inversement proportionnel à [A]0n-

Cas particulier: ordre ln 2 0,693 t/2 = = = Cte k k 28

Exemple: utilisation des temps de demi-réaction La décomposition catalytique de l eau oxygénée selon la réaction: H 2O2 H 2O O2 2 Est suivie en prélevant des échantillons de 20 ml à intervalles de temps déterminés. On dose H2O2 par le permanganate de potassium en milieu acide t (min) 0 5 0 20 30 40 V (ml) 40,0 32,0 26,0 6,6,0 7,0 29

Ordre par rapport à H2O2 Si la réaction est d ordre par rapport à H2O2 Ln[ A] Ln[ A]0 kt -2-2.5 ] 2-3 O2 H [ n l -3.5-4 -4.5 0 5 0 5 20 25 Temps (min) 30 35 30 40

Méthode différentielle: méthode générale Basée sur le fait que la vitesse instantanée d une réaction est proportionnelle à [A] d[ A] v k[ A ] dt [A] tangente en t : Pente = vitesse instantanée à t tangente en t2 : Pente = vitesse instantanée à t2 t t2 t 3 Lnv Lnk Ln[ A]

Exemple: méthode différentielle Huit ampoules contenant chacune 9 ml une solution d éthylate de sodium de concentration /9 M sont conservées à basse température A chacune d elle on ajoute rapidement à froid ml d une solution de chlorure de benzyle M puis placée à une température fixe pour laquelle la réaction se produise. C 2 H 5 O Na C 6 H 5 CH 2 Cl Na Cl C 6 H 5 CH 2 OC 2 H 5 A différents temps t on réalise une trempe et on dose Cl- formé t(min) 0 0 20 30 40 60 90 20 [Cl-] en mmol.l- 0 28 37 44 55 64 70 83 32

Méthode différentielle 20-5.5-6 00 y = -.5984 +.9995x R= 0.9909-6.5 ] a N5 H2 C [ 80 )v ( n L 60 40-7 -7.5-8 -8.5 20-9 0-9.5-4.5 0 50 00 50 200 250-4 -3.5-3 -2.5-2 Ln[C H Na] Temps (min) 2 5 [C2H5Na] en mmol.l- 00 83 72 63 56 45 36 30 v (mmol.l-min-) 2,7 0,775 0,58 0,38 0,24 0,55,35 33

Méthode des vitesses initiales Basée sur la méthode différentielle: elle permet de déterminer les ordres partiels des réactifs dans une réaction simple en début de réaction ) Détermination des vitesses de début de réaction pour différentes concentrations initiales [A] [A]0 [A]0 2) On trace : Lnv 0 Lnk Ln[ A]0 [A]0 v0 v0 v0 34 t

Réactions complexes Réactions réversibles Réactions compétitives Réactions successives 35

Réactions réversibles aa bb cc dd Réaction pouvant se produire dans les deux sens v aa bb cc dd v k[ A] [B] Vitesse de réaction: et v' cc dd aa bb v' k '[C] [D] v réaction k[ A] [B] k '[C] [D] k [C]c [D]d K a b k ' [ A ] [B ] Un équilibre n est pas une situation pour laquelle rien ne se passe: 36 La réaction directe et la réaction inverse ont lieu simultanément, à même vitesse

Réactions compétitives k A k3 k2 B C D v réaction k[ A] Cas d un ordre d[b] k [ A] dt d[c] k 2 [ A] dt d[d] k 3 [ A] dt De même: Ln[ A] Ln[ A]0 kat k [B ] ([ A]0 [ A]) k k2 [C] ([ A]0 [37A]) k et k3 [D] ([ A]0 [ A]) k

Réactions compétitives [A]0 Pour un temps infini: [ B ] k [ A ]0 k Avec k<k2<k3 ]x [ [D] [C] [B] Temps 38 k Re ndement en B k

Réactions successives Réactions au cours desquelles les réactifs fournissent des produits intermédiaires qui se décomposent eux-mêmes en d autres produits stable ou non k k2 A B C Pour A, on retrouve la dépendance normale: [ A] [ A]0 e kt Par combinaison de ces 4 équations, on peut montrer que: k [ A ]0 k t [B ] (e e k 2t ) k 2 k k2 k k t [C] [ A]0 ( e e k 2t ) 39 k 2 k k 2 k

Réactions successives t infini [A]0 [C] [A] 0 [B] 0 ] X [ [C] [A]0 [B]m [B] B ne s accumule pas indéfiniment: passage par un maximum Au maximum, Temps(s) d[b] 0 dt k [ B ]m [ A]0 e k k2 k2 Ln( ) 40 k 2 k k

Approximation de l état quasistationnaire k k2 A B C Il arrive parfois que les intermédiaires réactionnels sont très réactif et présentent donc une courte durée de vie Les équation précédentes peuvent être simplifiées: [ A] [ A]0 e kt k [ A ]0 k t k [B ] (e e k 2 t ) [ A ]0 e k t k 2 k k2 [C] [ A]0 ( e k t ) ] X [ Temps(s) 4

Catalyse Un catalyseur est une substance qui par sa présence dans le milieu réactionnel augmente la vitesse de réaction et se retrouve en fin de réaction a) Aucun effet sur la thermodynamique b) Oriente la réaction k A k3 k2 B C D On peut choisir un catalyseur qui oriente vers une branche et pas les autres c) Modification du chemin réactionnel Peut être homogène ou hétérogène 42

Ordre de réaction par rapport au catalyseur Soit la réaction: A P Q k k2 Mécanisme avec le catalyseur (C): A C I P Q k d[ A] d[p] d[q] v k 2 [I ] dt dt dt k [I ] [ A][C] k ' k 2 k k 2 v [ A][C] k ' k 2 43

Catalyse enzymatique Un enzyme est une protéine douée d un pouvoir catalytique très élevé. Leur activité catalytique est spécifique d un substrat ou d une liaison chimique particulière L action de l enzyme E sur un substrat S se fait par l intermédiaire d un complexe ES de stéréochimie particulièrement bien définie: k k 3 S E ES E P k2 Vitesse de formation de P: d[p] v k 3 [ES] dt En début de réaction: [P] faible et [E] toujours faible par rapport à [S] 44 k [S]0 [E]0 [ES] k 2 k 3 k [S]0

Catalyse enzymatique k [S]0 [E]0 [ES] k 2 k 3 k [S]0 et k 3 k [S]0 [E]0 k 3 [S]0 [E]0 v0 k 2 k 3 k [S]0 K M [S]0 KM est la constante de Mickaelis 45

Exemple de mécanisme réactionnel Soit la réaction: N 2 O 5 2NO 2 O 2 2 k Mécanisme de la réaction: N 2O 5 NO 2 NO 3 k k2 NO 3 NO 2 NO NO 2 O 2 k3 NO N 2 O 5 3NO 2 d[n 2 O 5 ] d[no 2 ] d[o 2 ] v 2 dt 2 dt dt 2k k 2 v 2k 2 [NO 3 ][NO 2 ] [N 2 O 5 ] 46 k 2 k ' Ordre