La cinétique est l’étude des vitesses des réactions chimiques et des facteurs qui influencent ces vitesses.
2-Exemples de réaction
2-1-Réactions rapides ou instantanées
Ce sont des réactions qui se font en un laps de temps trop court pour que nous puissions suivre l’évolution avec nos sens ou nos instruments de mesure.
Exemples : La combustion explosive du dihydrogène dans le dioxygène, les réactions de précipitation, acido-basiques et d’oxydoréduction
2-2-Réactions lentes
Ce sont des réactions qui peuvent être suivies par nos sens ou nos instruments de mesure pendant plusieurs minutes ou heures.
Exemples : la réaction de saponification, l’estérification et l’hydrolyse 2-3-Réactions lentes
Ce sont celles qui se déroulent pendant plusieurs jours ou mois. Exemple de la formation de la rouille.
3-La vitesse d’une réaction.
3-1-La vitesse de formation d’un produit P ou de disparition d’un réactif R.
3-1-1-La vitesse moyenne
La vitesse moyenne de formation d’un produit P pendant un intervalle de temps ∆t = t2-t1
est :Vm(P)t1t2 = ∆[ ]
∆ = [ ] [ ] en molL-1min-1 ou molL-1h-1
Graphiquement c’est le coefficient directeur de la sécante(S1S2) à la courbe [P] = f(t) aux points d’abscisses t1 et t2 . Vm(P)t1t2 = [ ] [ ] La courbe de formation d’un produit est toujours croissante
La vitesse moyenne de disparition d’un réactif R pendant un intervalle de temps ∆t = t2-t1 est :Vm(R)t1t2 = − ∆[ ]
∆ = − [ ] [ ] en molL-1min-1 ou molL-1h-1 Graphiquement c’est l’opposé du coefficient directeur de la sécante(S1S2) à la courbe [R] = g(t) aux points
d’abscisses t1 et t2 . Vm(R)t1t2 = −[ ] [ ] La courbe de disparition d’un réactif est toujours décroissante
Remarque :Si la courbe est celle de la variation de la quantité de matière du réactif nR=f(t) ou du produit nP=g(t) alors les vitesse moyenne de disparition du réactif ou de formation du produit s’obtiennent par les relations : Vm(R)t1t2 = − ∆
116 Vm(P)t1t2 = ∆
∆ = en molL-1min-1 ou molL-1h-1 où V est le volume du milieu réactionnel en litre.
3-1-2-La vitesse instantanée
La vitesse de formation d’un produit P à la date t est égale à la valeur de la dérivée de la fonction
[P] =f(t) à cette date. V(P)t = ( [ ]) Graphiquement, c’est le coefficient directeur
de la tangente à la courbe [P] =f(t) au point d’abscisse t.
V(P)t = ( [ ]) = [ ] [ ] en molL-1min-1 ou en MolL-1h-1
La vitesse de disparition d’un réactif R est l’opposé de la dérivé de la fonction [R] =g(t) à cette date.
V(R)t = − ( [ ]) =−[ ] [ ] en molL-1min-1 ou en MolL-1h-1
Graphiquement ; c’est l’opposé du coefficient directeur de la tangente à la courbe [R] =g(t) au point d’abscisse t.
Remarque : Si la courbe est celle de la variation de la quantité de matière du réactif nR=f(t) ou du produit nP=g(t) alors la vitesse de disparition du réactif ou de
formation du produit s’obtiennent par les relations : V(R)t = −( ) = − en mol/min ou mol/h
V(P)t = ( ) = en mol/min ou mol/h . A partir de ces courbes, la vitesse volumique s’obtient par les relations :
V(R)t = − ( ) = − en molL-1min-1 ou molL-1h-1
V(P)t = ( ) = en molL-1min-1 ou molL-1h-1 où V est le volume du milieu réactionnel en litre.
3-2-Généralisation
Soit la réaction chimique : Aa + bB →cC+dD
Les vitesses de disparition ou de formation sont reliées entre elles :
( ) = ( ) = ( ) = ( )
( ) = ( ) = ( ) = ( ) 3-3-Evolution des vitesses
Les vitesses de formation d’un produit ou de disparition d’un réactif sont grandes au début de la réaction, décroissent et s’annulent au bout d’un temps plus ou moins long marquant la fin de la réaction.
La vitesse de formation d’un produit ou de disparition d’un réactif diminue toujours au cours du temps car la concentration des réactifs diminue dans le milieu réactionnel.
4-Le temps de demi-réaction
C’est le temps au bout duquel s’est formé la moitié de la quantité maximale du produit attendu.
B A
[P]
t 0 tA tB
[P]
[P]
t
B A
[R]
t 0 tA tB
[R]
[R]
t
117
C’est la durée nécessaire pour consommer la moitié du réactif limitant initialement présent.
NB : Le temps de demi-réaction diminue lorsqu’on augmente la température du milieu réactionnel et/ou lorsqu’on utilise un catalyseur et /ou lorsqu’on augmente la concentration initiale des réactifs. Ces facteurs cinétiques augmentent la vitesse de la réaction en diminuant le temps de demi-réaction.
5-L’influence des facteurs cinétiques 5-1-Définitions
Un facteur cinétique est une grandeur susceptible de modifier la vitesse d’une réaction chimique.
Les facteurs cinétiques sont :
-La concentration initiale des réactifs -La température
-L’emploi d’un catalyseur
-La surface de contact entre réactifs solides -La lumière
-Le solvant
5-2-Influence de la concentration initiale des réactifs
La vitesse d’une réaction augmente avec la concentration initiale des réactifs.
5-3-Influence de la température
La vitesse d’une réaction augmente avec la température du milieu réactionnel.
Le contrôle de la température présente deux types d’application en réaction chimique : -Le déclanchement ou l’accélération d’une réaction chimique
-Le ralentissement ou blocage d’une réaction chimique.
Quelques exemples :
*la conservation des aliments au frais
*La trempe d’une prise d’essai (refroidissement brutal que l’on fait subir à un système chimique dont on veut arrêter l’évolution) . Son but est d’arrêter ou de bloquer la réaction.( La dilution d’une prise d’essai permet aussi d’arrêter ou de bloquer la réaction)
5-4-Influence du catalyseur
Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction chimique sans entrer dans son bilan.
On distingue :
-La catalyse homogène dans laquelle le catalyseur et le réactif sont dans la même phase(Exemple :l’estérification catalysée par l’acide sulfurique)
-La catalyse hétérogène dans laquelle le catalyseur et le réactif ne sont pas dans la même phase (exemple : l’hydrogénation de l’acétylène catalysée par le nickel)
-La catalyse enzymatique qui est une catalyse dans laquelle le catalyseur est une enzyme.
-L’autocatalyse : type de catalyse dans laquelle la réaction chimique est catalysée par un produit.(Exemple :la réduction de l’acide oxalique par les ions permanganate catalysée par les ions manganèse)
Quelques propriétés des enzymes :
-Ils ont un rôle cinétique car agissent sur la vitesse de réaction
-Ils accélèrent l’évolution vers l’état d’équilibre dans le cas des réactions limitées
118 -Ils sont sélectifs
-Ils agissent en petites quantités
6-Application aux réactions d’estérification et d’hydrolyse 6-1-Etude cinétique de la réaction d’estérification
Principe :
Dans 10 tubes à essai, on met d’égales quantités d’alcool et d’acide carboxylique qu’on plonge dans l’eau glacée. A t=0, on plonge les tubes dans l’eau bouillante maintenus à température constante. A intervalles de temps réguliers, on retire les tubes qu’on plonge à nouveau dans l’eau glacée (trempe). Ensuite la quantité d’acide restante est titrée ou dosée par une solution d’hydroxyde de sodium. no=quantité de matière initiale d’acide carboxylique L’équation-bilan de la réaction est :
R-COOH + R’-OH R-CO-O-R’ + H2O A t=0 no no 0
A t≠0 no-nes no-nes nes
n( a)t: quantité de matière de l’acide n’ayant pas réagi ou restante à un instant t quelconque n(es)t =quantité de matière d’ester formée à l’instant t
L’acide restant étant dosé par l’hydroxyde de sodium, alors n(a)t= (Cb.Vb)t Et n(a)t= no-n(es)t ↔ (Cb.Vb)t = no-n(es)t ↔ n(es)t= no-(Cb.Vb)t
n(a)t= (Cb.Vb)t↔ (Ca.Va)t =(Cb.Vb)t ↔ (Ca)t = ( . )
n(es)t= no-(Cb.Vb)t ↔[es]t = Coa - ( . ) où Coa est la concentration initiale de l’acide 6-2-Etude cinétique de la réaction d’hydrolyse
Principe : Il est le même que celui de la réaction d’estérification.
L’équation-bilan de la réaction est :
R-CO-O-R’ + H2O R-COOH + R’-OH A t=0 noes 0
A t≠0 noes-n(a)t n(a)t n(al)t
noes : quantité de matière initiale d’ester et Coes est la concentration initiale de l’ester n( a)t: quantité de matière de l’acide formé à un instant t quelconque
n(es)t =quantité de matière d’ester restante à l’instant t
L’acide formé est dosé par l’hydroxyde de sodium, alors n(a)t= (Cb.Vb)t Et n(es)t= noes-n(a)t ↔ n(es)t= noes-(Cb.Vb)t
(Ces.Ves)t = Coes Ves -.(Cb.Vb)t ↔ (Ces)t = Coes − ( . ) (Ces)t : concentration de l’ester restant à chaque instant t.
EXERCICES DU CHAPITRE 10