Progression du début de l année scolaire ONDES 1. Ondes et particules 2. Caractéristiques des ondes 3. Propriétés des ondes ANALYSE CHIMIQUE 4. Analyse spectrale 5. Réaction chimique par échange de proton 6. Contrôle de la qualité par dosage TEMPS, MOUVEMENT ET EVOLUTION 7. Temps et évolution chimique : cinétique et catalyse 8. Cinématique et dynamique newtoniennes 9. Application des lois de Newton et des lois de Kepler 10. Travail et énergie 11. Temps et relativité restreinte Cours 7 : TEMPS ET EVOLUTION CHIMIQUE : CINETIQUE ET CATALYSE I) CINETIQUE CHIMIQUE ET CLASSIFICATION DES REACTIONS II) FACTEURS CINETIQUES III) EVOLUTION TEMPORELLE D UN SYSTEME CHIMIQUE Page 1 sur 10
I) CINETIQUE CHIMIQUE ET CLASSIFICATION DES REACTIONS La cinétique chimique est l étude du déroulement temporelle des réactions chimiques. La durée d une réaction est la durée nécessaire pour qu un système chimique passe d un état initial à un état final, c'est-à-dire un état où il n y a plus d évolution perceptible : #disparition du réactif limitant dans le cas d une réaction totale #établissement d un équilibre chimique dans le cas d une réaction limitée. #Pour une observation à l œil nu, on parle de réaction rapide si la réaction semble être achevée à peine les réactifs mis en contact. (Réaction explosive qui conduit au gonflement de l airbag, réaction de précipitation, ) # Dans le cas contraire, on parle de réaction lente. La durée de réaction peut aller de quelques secondes à plusieurs mois (mûrissement des fruits, ) voire années (formation de combustibles fossiles, dégradation des déchets métalliques, plastiques, ) II) FACTEURS CINETIQUES Un facteur cinétique est une grandeur qui influe sur la durée d une transformation chimique. 1) La température : 2) La concentration des réactifs : 3) Le catalyseur : a. Définition Un catalyseur est une espèce chimique dont la présence diminue la durée de réaction. Il interagit avec les réactifs mais il n est pas consommé. Sa formule n apparaît pas donc dans l équation. b. Différents types de catalyse On parle de catalyse homogène si les réactifs et le catalyseur forment un mélange homogène. La réaction se déroule d autant plus rapidement que la concentration en catalyseur est importante. On parle de catalyse hétérogène si les réactifs et le catalyseur forment un mélange hétérogène. La réaction est d autant plus rapide que la surface du catalyseur est importante. Haut de page Page 2 sur 10
La catalyse est enzymatique si le catalyseur est une enzyme (protéine dont le nom se termine en général par «ase» comme la catalase, l amylase, ) Leur sélectivité est importante ; elle est liée aux structures spatiales complémentaires des réactifs et du site actif. (voir document cicontre) 4) Autres facteurs cinétiques : # La surface de contact entre les réactifs # La lumière L exposition à des ondes électromagnétiques de longueurs d onde appropriées permet d initier des réactions chimiques comme la synthèse chlorophyllienne, le bronzage, la synthèse de la vitamine D, le durcissement de ciment dentaire 5) Rôles importants : Les catalyseurs jouent un rôle important dans l organisme en favorisant par exemple les réactions à l origine de la digestion (voir document ci-contre et l exercice sur la digestion de l annexe) mais également dans le domaine industriel, pharmaceutique, Ils permettent : #d accélérer ou déclencher une transformation lente ou bloquée. #de favoriser une réaction plutôt que d autres dans le cas d un système pouvant évoluer de plusieurs manières différentes. # ralentir ou bloquer une transformation Voir annexe : exercice sur le pot catalytique Page 3 sur 10
III) EVOLUTION TEMPORELLE D UN SYSTEME CHIMIQUE 1) Etude qualitative Voir annexe En s appuyant sur plusieurs CCM réalisées à différents instants d une réaction chimique, il est possible d en estimer la durée. 2) Etude quantitative Voir annexe L étude quantitative de l évolution temporelle d un système chimique consiste à suivre expérimentalement au cours du temps : #l augmentation de l avancement noté x #la diminution de la quantité de matière d un réactif #l augmentation de la quantité de matière d un produit. Peuvent être mises en pratique des méthodes physiques ou chimiques. #Les méthodes physiques s appuient sur des mesures : de la conductivité (si le mélange réactionnel contient des espèces ioniques) de l absorbance (si le mélange réactionnel renferme des espèces colorées) du ph (si le mélange fait intervenir des espèces acides et basiques) de la pression (si le mélange comprend des espèces présentes à l état gazeux) Les méthodes physiques permettent des relevés de valeurs en continu, ne perturbent pas le mélange réactionnel et peuvent être utilisées sur des réactions rapides et/lentes. # Les méthodes chimiques utilisent une succession de titrages. A différentes dates, on prélèvement un faible échantillon du mélange réactionnel. On bloque son évolution grâce à une trempe. On détermine la concentration de l un des réactifs ou de l un des produits par titrage. On en déduit l avancement. Les méthodes chimiques peuvent être mise en œuvre sur des réactions relativement lentes mais les prélèvements réalisés à plusieurs reprises peuvent perturber le mélange réactionnel. 3) Temps de demi-réaction Le temps de demi-réaction noté t 1/2 est la durée nécessaire pour que l avancement de la réaction atteigne la moitié de sa valeur finale. Attention! Il est faux de penser qu au bout de deux fois t 1/2 la réaction est terminée. Haut de page ANNEXE : Page 4 sur 10
Exercice : Catalyse et digestion Haut Suivi qualitatif par CCM Page 5 sur 10
On réalise le suivi temporel d une réaction entre la fluorescéine et le dibrome en réalisant plusieurs CCM comme l indique la figure 1. (Informations sur la CCM page 598) Comment peut-on interpréter les résultats obtenus? Suivi quantitatif 1 On souhaite étudier quantitativement l évolution de la réaction entre le carbonate de sodium solide et les ions oxonium de la solution d acide chlorhydrique. Citer plusieurs appareils de mesure qu il serait possible d utiliser. Haut du document Page 6 sur 10
Suivi quantitatif 2 : Suivi quantitatif 3 : On souhaite étudier quantitativement l évolution temporelle de la réaction entre le peroxyde d hydrogène H 2 O 2 et les iodures I -. On s appuie sur des relevés de l absorbance du mélange réactionnel, tout en sachant que seul le diiode colore le système chimique (couleur allant du jaune orangé au marron) Q1. Terminer de compléter le tableau d évolution : Haut de page Page 7 sur 10
Q2. D après le tableau d évolution, quelle relation existe-t-il, pour un instant t quelconque, entre et l avancement x? Le schéma ci-contre regroupe les étapes de la démarche expérimentale. Q3. De quelle loi découle la relation 1? Q4. Retrouver la relation 2. La démarche débouche sur les graphes présentés sur les figures 1, 2 et 3. Q5. A partir des figures 2 et 3, nommer le réactif limitant. Q6. Faire apparaître, sur la figure 1, la lecture graphique du temps de demi réaction notée t 1/2. Haut de page Page 8 sur 10
Mise en évidence expérimentale n 1 de facteurs cinétiques Réaction entre l acide oxalique H 2 C 2 O 4 et les ions permanganate MnO 4 - en milieu acide 2 MnO 4 - (aq) + 5 H 2 C 2 O 4 (aq) + 6 H 3 O + (aq) 2 Mn 2+ (aq) + 10 CO 2 (aq) +14 H 2 O (l) bécher n 1 à température ordinaire n 2 à une température voisine de 40 C n 3 à température ordinaire volume en ml d une solution d acide oxalique c 1 = 1,0x10-2 mol.l -1 volume en ml d une solution d acide sulfurique c a = 6 mol.l -1 20 10 0 20 10 0 20 10 40 volume en ml d eau distillée Ajouter, au bécher n 1, 10 ml d une solution de permanganate de potassium de concentration molaire c 2 = 5,0x10-3 mol.l -1 en déclenchant le chronomètre. Mélanger à l aide d un agitateur de verre et mesurer la durée t nécessaire pour observer la décoloration du mélange. (Noter la valeur dans le tableau ci-dessous page 2) Recommencer pour les béchers 2 et 3. bécher n 1 à température ordinaire n 2 à une température voisine de 40 C n 3 à température ordinaire concentration molaire de la solution d acide oxalique au déclenchement du chronomètre (mol.l -1 ) durée t 82 s 31 s 115 s Q7. Calculer, dans les trois béchers, la concentration molaire de l acide oxalique au déclenchement du chronomètre (c a d juste après l ajout de la solution de permanganate de potassium) Q8. Nommer le réactif limitant. (Sans effectuer de calcul) Q9. Ecrire les demi-équations électroniques en déduire les couples oxydant/réducteur Q10. Comment la température et la concentration des réactifs influencent-elles la durée de réaction? Page 9 sur 10
Mise en évidence expérimentale n 2 de facteurs cinétiques Le peroxyde d hydrogène H 2 O 2 contenu dans l eau oxygénée n est pas stable. Il se décompose en eau et en dioxygène. Q1. Ajuster l équation : H 2 O 2 (aq).. Q2. En quoi le bécher A montre que la réaction étudiée est lente? Q3. Le platine, les ions Fe 2+ et le foie sont des catalyseurs de la réaction. Proposer une définition du terme catalyseur? Q4. Attribuer un bécher à chacun des termes suivants : catalyse enzymatique, hétérogène et homogène. Page 10 sur 10