1. L’interprétation microscopique des réactions :
1.1. Chocs efficaces entre entités chimiquesLes entités d’un système sont en mouvement incessant, aléatoire et désordonné, appelé mouvement brownien.
Voir animation :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Mouvement_brownien#/media/Fichier:Brownianmotion5particles150frame.gif On considère un système contenant les entités A et B, constituant les
réactifs.
Pour qu’une réaction chimique ait lieu :
- Les entités A et B doivent entrer en collision ;
- Les chocs doivent être efficaces, c’est-à-dire permettre la formation, à l’échelle macroscopique, des produits C et D.
L’efficacité du choc est liée à son énergie qui dépend de la vitesse des entités A et B entrant en collision, de leurs tailles, de leurs orientations, …
1.2. Facteurs cinétiques
Plus les chocs sont nombreux, plus la fréquence (la probabilité) de chocs efficaces est élevée et plus la vitesse de disparition des réactifs (et donc, celle d’apparition des produits) est grande.
Ainsi :
- Plus la température d’un système chimique est élevée, plus l’agitation thermique des entités est importante et plus la fréquence des chocs, et donc des chocs efficaces, est grande à l’échelle microscopique.
- Plus les concentrations des réactifs sont élevées, plus la fréquence des chocs efficaces entre les entités constituants les réactifs, est grande à l’échelle microscopique.
2. Les mécanismes réactionnels
2.1. Acte élémentaire
Exemple :
Réaction entre le monoxyde d’azote NO (g) et le dihydrogène H2 (g).- Équation de la réaction à l’échelle macroscopique :
2 NO (g) + 2 H2 (g) → N2 (g) + 2 H2O (ℓ)
- À l’échelle microscopique, pour que la réaction ait lieu, il faut la rencontre de deux molécules NO (g) avec deux molécules de H2 (g).
Même avec un grand nombre de molécules et un grand nombre de chocs efficaces ceci est statistiquement peu probable.
En réalité, à l’échelle microscopique, cette réaction peut être décrite par la succession de trois actes élémentaires selon le mécanisme réactionnel suivant:
Étape (1) NO + NO N2 O2 Très rapide Étape (2) N2O2 + H2 → N2 + H2O2 Lente Étape (3) H2 O2 + H2 → 2 H2O Rapide Le bilan est bien :
2 NO (g) + 2 H2 (g) → N2 (g) + 2 H2O (ℓ) réaction lente
-
La dioxohydrazine N2O2 et le peroxyde d’hydrogène H2O2 sont des intermédiaires réactionnels qui interviennent dans le mécanisme réactionnel mais qui n’apparaissent pas dans le bilan de la réaction.
Dioxohydrazine N2O2 Peroxyde d’hydrogène H2O2
Conclusion :
L’équation d’une réaction chimique :
- Ne rend pas compte du mécanisme réactionnel à l’échelle microscopique ;
Définitions
Un acte élémentaire est un processus qui se déroule à l’échelle microscopique, en une seule étape : les réactifs sont directement transformés en produits.
Un mécanisme réactionnel est l’ensemble des actes élémentaires permettant de rendre compte, à l’échelle microscopique, de la formation à l’échelle macroscopique, des produits à partir des réactifs.
Un intermédiaire réactionnel est une entité produite au cours d’un acte élémentaire puis totalement consommée dans un autre.
Remarque : ne pas confondre intermédiaire réactionnel et catalyseur : un intermédiaire réactionnel est formé lors d’une des étapes du mécanisme puis totalement consommé dans une autre alors qu’un catalyseur est consommé puis totalement régénéré.
Exercices : 14 p 104 (corrigé dans le livre), 15 p 104 (corrigé dans le livre), Exercice 1 : Ecrire une équation de réaction
Exercice 2 : Compléter un mécanisme réactionnel
2.2. Interprétation microscopique de l’action d’un catalyseur
Rappel : Définition donnée dans le chapitre 7
Un catalyseur est une espèce chimique (ou un mélange d’espèces chimiques) qui augmente la vitesse d’une réaction chimique, mais qui ne figure pas dans l’équation de cette réaction.
En présence d’un catalyseur, le mécanisme réactionnel est modifié.
Le catalyseur :
- remplace une étape lente du mécanisme réactionnel par plusieurs étapes rapides.
- disparaît au cours du mécanisme réactionnel et est régénéré en fin de réaction.
- n’apparaît pas dans l’équation de la réaction.
Exercice 3: Identifier un catalyseur
Exercice 4 : Synthèse d’un arôme d’ananas
Exercice 5 : Oxydation des ions tartrate
3. Sites donneurs ou accepteurs de doublets d’électrons
-Regarder la vidéo sur le rappel de la représentation de Lewis : https://www.youtube.com/watch?v=mfXJDIOFoUc - Faire activité 1 : Mouvement d’un doublet d’électrons
De nombreuses réactions s’expliquent par des interactions électrostatiques entre des sites donneurs et des sites accepteurs de doublet d’électrons.
3.1.
Un site donneur de doublet d’électrons :Définition : Un site donneur de doublet d'électrons est un lieu d'une espèce chimique présentant un excès de charges négatives.
Exemples :
Un atome présentant un excès d’électrons :
S’il est engagé dans une liaison polarisée dont il est l’atome le plus électronégatif ; il possède donc une charge partielle négative
- S’il possède une charge négative entière - dans un anion
Une liaison multiple
Un atome ou un ion portant un doublet non liant
Exemples: La structure de Lewis de l'ion hydroxyde, de la molécule d'eau et de l'éthène est donnée : repérer les sites donneurs de doublets d'électrons.
Explications:
Le site donneur de l'ion HO- est l'atome d'oxygène : le doublet d’électrons susceptible d’être donné est l’un des trois doublets non-liants (lequel pourra se transformer en doublet liant au cours d’une réaction).
Le site donneur d'électrons dans la molécule d'eau est l'atome d’oxygène qui a deux doublets non-liants (un pourra se transformer en doublet liant au cours d’une réaction). .
Le site donneur de doublet d'électrons dans l'éthène est l’un des deux doublets de la double liaison (ce doublet peut se casser au cours d’une réaction chimique et chaque carbone pourra alors se lier à un autre atome).
3.2.
Un site accepteur de doublet d’électrons est :Définition : Un site accepteur de doublet d'électrons est un lieu d'une espèce chimique présentant un défaut de charges négatives.
Type de sites accepteurs (à connaitre) : Un atome présentant un défaut d’électrons :
S’il est engagé dans une liaison polarisée dont il est l’atome le moins électronégatif ; il possède donc une charge partielle positive +
S’il possède une charge positive entière + dans un cation
Réponse : Dans la molécule d'acide éthanoïque il y a 2 sites accepteurs d'électrons le carbone fonctionnel et l'hydrogène lié à l'atome d'oxygène car ils sont tous les deux engagés dans des liaisons polarisées et portent des charges partielles positives.
3.3. Mouvement d’un doublet d’électrons
Un mécanisme réactionnel décrit le déroulement, à l’échelle moléculaire, de chaque étape d’une transformation chimique, en particulier la nature des liaisons formées et rompues, et l’ordre dans lequel se font ces formations et ces ruptures.
Au cours d’une étape d’un mécanisme réactionnel, les mouvements de doublets d’électrons traduisant la formation et la rupture de liaisons chimiques sont représentés par des flèches courbes :
Lors de la formation d’une liaison covalente, les électrons vont du site donneur vers le site accepteur de doublet d’électrons. Ce mouvement se représente à l’aide d’une flèche courbe allant du site donneur vers le site accepteur.
Lors de la rupture d’une liaison covalente, les électrons de la liaison rompue vont vers l’atome le plus électronégatif. Ce mouvement se représente à l’aide d’une flèche courbe allant de la liaison à rompre vers l’atome le plus électronégatif.
Exemple :
1. Dans l’étape ci-dessous, la flèche courbe 1 part du doublet non liant de l’ion hydrure H- (site donneur) et pointe vers l’atome de carbone porteur d’une charge partielle positive (site accepteur). Il y a formation d’une liaison C- H , qui déclenche simultanément le déplacement du doublet liant entre C et O vers l’atome d’oxygène. Ce déplacement est représenté par la flèche courbe 2.
Remarque : Lors d’une étape de dissociation à l’intérieur d’une molécule, la flèche courbe ne relie pas un site donneur et un site accepteur, mais traduit juste la rupture d’une liaison.
2. Dans l’étape ci-dessous, la flèche courbe part du doublet liant entre les atomes de carbone et de brome et pointe vers l’atome de brome ; il y a rupture d’une liaison C-Br. Le doublet liant (rouge) s’est transformé en doublet non liant : le brome a gagné un électron du carbone, il devient chargé négativement. Parallèlement, le carbone a perdu un électron (il n’a plus que 3 électrons de valence au lieu de 4), il devient chargé positivement.
Exercices : 26 p 107 ; 24 p 106(corrigé dans le livre) ; 12 p 104 ; exercice 6 suivant
+ -
Exercice 6 : Modèle de la flèche courbe
