Temps et évolution chimique: cinétique et catalyse

 

 

I. Evolution temporelle d’un système chimique

1. Transformation rapide et transformation lente

a. Transformation rapide

On dit qu'une transformation est rapide si elle se fait en une durée trop courte pour que son évolution puisse être suivie "à l'œil nu" ou avec les appareils de mesure courants. C'est-à-dire qu'il est impossible de distinguer des états intermédiaires entre l'état initial et l'état final du système.

Par exemple:

*       La décomposition d'un explosif.

*       Les réactions de précipitations :

*       Les réactions acido-basiques :

 

b. Transformation lentes

C'est une transformation dont l'évolution peut être suivie "à l'œil nu" ou avec les appareils de mesure courants pendant quelques secondes (ou plus longtemps).

Par exemple: Réaction des ions iodure avec l'eau oxygénée (peroxyde d'hydrogène).

Les ions iodure réagissent avec le peroxyde d’hydrogène selon la réaction :

H 2 O 2(aq) +2 I (aq) +2 H (aq) + I 2(aq) +2 H 2 O (l) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadIeadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccaWGpbWaaSbaaSqaaiaaikdacaGGOaGaamyyaiaadghacaGGPaaabeaakiabgUcaRiaaikdacaWGjbWaa0baaSqaaiaacIcacaWGHbGaamyCaiaacMcaaeaacqGHsislaaGccqGHRaWkcaaIYaGaamisamaaDaaaleaacaGGOaGaamyyaiaadghacaGGPaaabaGaey4kaScaaOGaeyOKH4QaamysamaaBaaaleaacaaIYaGaaiikaiaadggacaWGXbGaaiykaaqabaGccqGHRaWkcaaIYaGaamisamaaBaaaleaacaaIYaaabeaakiaad+eadaWgaaWcbaGaaiikaiaadYgacaGGPaaabeaaaaa@59F3@

L'apparition du diiode est progressive comme en témoigne la coloration progressive de la solution.

 

2. Evolution d’une quantité de matière au cours du temps

Lorsqu'un système chimique est en cours de transformation, les quantités des réactifs diminuent tandis que celles des produits augmentent jusqu'à atteindre un état final.

 

Dans le cas de la réaction précédente, soient :

*       n 0 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaad6gadaWgaaWcbaGaaGimaaqabaaaaa@3A0B@  la quantité initiale d’ions thiosulfate.

*       2 n 0 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaaikdacaaMc8UaamOBamaaBaaaleaacaaIWaaabeaaaaa@3C52@  la quantité initiale d’ions iodure.

Les quantités de matière initiales sont choisies dans les proportions stœchiométriques, le tableau d'évolution de cette transformation est le suivant.

 

Equation

H 2 O 2(aq) + MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadIeadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccaWGpbWaaSbaaSqaaiaaikdacaGGOaGaamyyaiaadghacaGGPaaabeaakiabgUcaRaaa@3FCE@

2 I (aq) + MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaaikdacaWGjbWaa0baaSqaaiaacIcacaWGHbGaamyCaiaacMcaaeaacqGHsislaaGccqGHRaWkaaa@3EF7@

+2 H (aq) + MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiabgUcaRiaaikdacaWGibWaa0baaSqaaiaacIcacaWGHbGaamyCaiaacMcaaeaacqGHRaWkaaGccqGHsgIRaaa@40D7@

I 2(aq) + MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiabgkziUkaadMeadaWgaaWcbaGaaGOmaiaacIcacaWGHbGaamyCaiaacMcaaeqaaOGaey4kaScaaa@3FF6@

2 H 2 O (l) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaaikdacaWGibWaaSbaaSqaaiaaikdaaeqaaOGaam4tamaaBaaaleaacaGGOaGaamiBaiaacMcaaeqaaaaa@3DF7@

Etat

Quantité de matière (mol)

Initial

n 0 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaaykW7caWGUbWaaSbaaSqaaiaaicdaaeqaaaaa@3B96@

2 n 0 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaaikdacaWGUbWaaSbaaSqaaiaaicdaaeqaaaaa@3AC7@

excès

0 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaaicdaaaa@38EC@

excès

En cours

n 0 x MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaaykW7caWGUbWaaSbaaSqaaiaaicdaaeqaaOGaeyOeI0IaamiEaaaa@3D8A@

2 n 0 2x MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaaikdacaWGUbWaaSbaaSqaaiaaicdaaeqaaOGaeyOeI0IaaGOmaiaadIhaaaa@3D77@

excès

x MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadIhaaaa@392F@

excès

Final

2 n 0 x max MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaaikdacaWGUbWaaSbaaSqaaiaaicdaaeqaaOGaeyOeI0IaamiEamaaBaaaleaaciGGTbGaaiyyaiaacIhaaeqaaaaa@3FBB@

2 n 0 2 x max MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaaikdacaWGUbWaaSbaaSqaaiaaicdaaeqaaOGaeyOeI0IaaGOmaiaadIhadaWgaaWcbaGaciyBaiaacggacaGG4baabeaaaaa@4077@

excès

x max MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadIhadaWgaaWcbaGaciyBaiaacggacaGG4baabeaaaaa@3C2F@

excès

 

Les quantités de matière en ions iodure et en diiode au cours du temps sont représentées ci-dessous.

<Contenu manuscrit>

 

3. Temps de demi réaction

On appelle temps de demi-réaction noté t 1/2 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aaatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadshadaWgaaWcbaWaaSGbaeaacaaIXaaabaGaaGOmaaaaaeqaaaaa@3AE3@  la durée de la transformation pour laquelle l’avancement x est égal à la moitié de l’avancement maximal xmax.

 

 

II. Facteurs cinétiques

1. Définition

Un facteur cinétique est une grandeur qui influe sur la durée d'une transformation chimique (qui modifie la vitesse avec laquelle se produit une transformation chimique).

A notre niveau nous considérerons trois facteurs cinétiques.

 

2. La température

D'une manière générale, plus la température du milieu réactionnel est élevée, plus la durée de la transformation est courte. Inversement plus la température du milieu est basse plus durée de la transformation est élevée.

 

 

Applications:

*    On accélère certaines transformations dans l'industrie pour les rendre plus rentables.

*    On refroidit brutalement certains milieux réactionnels pour "arrêter" certaines transformations (on réalise ainsi ce qu'on appelle une "trempe").

*    Un réfrigérateur et un congélateur permettent de ralentir les transformations de dégradation biochimiques des aliments.

Dans l'exemple ci-dessous, les ions permanganate en milieu acide réagissent avec l'acide oxalique (voir exercice de 1ère S)

Dans le bécher de droite le mélange est plongé dans un bain Marie à 40°C. Dans le bécher de gauche le mélange est plongé dans un bain Marie à 20°C.

 

3. La concentration initiale des réactifs

D'une manière générale, plus les concentrations initiales des réactifs sont élevées, plus la durée de transformation est courte.

Dans l'exemple ci-dessous, la réaction entre les ions thiosulfate et les ions oxonium produit du soufre en suspension qui rend la solution opaque.

S 2 O 3(aq) 2 +2 H (aq) + S (s) +S O 2(aq) + H 2 O (l) MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbwvMCKfMBHbqedmvETj2BSbqefm0B1jxALjhiov2DaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaebbnrfifHhDYfgasaacH8WjY=vipgYlh9vqqj=hEeeu0xXdbba9frFj0=OqFfea0dXdd9vqaq=JfrVkFHe9pgea0dXdar=Jb9hs0dXdbPYxe9vr0=vr0=vqpWqaaeaabaGaaiaacaqabeaadaabauaaaOqaaiaadofadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccaWGpbWaa0baaSqaaiaaiodacaGGOaGaamyyaiaadghacaGGPaaabaGaaGOmaiabgkHiTaaakiabgUcaRiaaikdacaWGibWaa0baaSqaaiaacIcacaWGHbGaamyCaiaacMcaaeaacqGHRaWkaaGccqGHsgIRcaWGtbWaaSbaaSqaaiaacIcacaWGZbGaaiykaaqabaGccqGHRaWkcaWGtbGaam4tamaaBaaaleaacaaIYaGaaiikaiaadggacaWGXbGaaiykaaqabaGccqGHRaWkcaWGibWaaSbaaSqaaiaaikdaaeqaaOGaam4tamaaBaaaleaacaGGOaGaamiBaiaacMcaaeqaaaaa@5947@

A droite la concentration initiale en ions thiosulfate est deux fois plus élevée qu'à gauche.

 

4. Influence du solvant

Le choix du solvant dans lequel a lieu la réaction chimique influe sur la durée de la réaction.

 

 

III. La catalyse

1. Définition

Un catalyseur est une espèce qui diminue la durée de réaction dans le milieur réactionnel où il est introduit sans figurer dans l'équation de la réaction.

 

2. Différents types de catalyse

a. Catalyse homogène

Définition : On dit d'une catalyse qu'elle est homogène si le catalyseur et les réactifs ne forment qu'une seule phase.

Exemple : La réaction de décomposition (dismutation) de l'eau oxygénée (ou peroxyde d'hydrogène: H2O2) peut être catalysée par les ions fer (III) en solution aqueuse. Il n'y a qu'une seule phase, la phase aqueuse.

L’équation de la réaction s’écrit : 2 H 2 O 2 F e (aq) 3+ 2 H 2 O+ O 2 MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbbjxAHXgarmWu51MyVXgaruWqVvNCPvMCG4uz3bqefqvATv2CG4uz3bIuV1wyUbqee0evGueE0jxyaibaieYdNi=xH8yiVC0xbbL8F4rqqrFfpeea0xe9Lq=Jc9vqaqpepm0xbba9pwe9Q8fs0=yqaqpepae9pg0FirpepeKkFr0xfr=xfr=xb9adbaqaaeaacaGaaiaabaqaamaaeaqbaaGcbaGaaGOmaiaadIeadaWgaaWcbaGaaGOmaaqabaGccaWGpbWaaSbaaSqaaiaaikdaaeqaaOWaa4ajaSqaaiaadAeacaWGLbWaa0baaWqaaiaacIcacaWGHbGaamyCaiaacMcaaeaacaaIZaGaey4kaScaaaWcbeGccaGLsgcacaaIYaGaamisamaaBaaaleaacaaIYaaabeaakiaad+eacqGHRaWkcaWGpbWaaSbaaSqaaiaaikdaaeqaaaaa@49E1@

Vidéo: Catalyse de l’eau oxygénée par l’ion fer (III) Vidéo: Catalyse de l’eau oxygénée par l’ion fer (III)

La vidéo montre le phénomène. Le dégagement de dioxygène est mis en évidence grâce à une bûchette légèrement incandescente. (Attention! expérience à réaliser muni de gants et de lunettes).

Remarque : La réaction est exothermique. La température étant un facteur cinétique, l’élévation de température provoque un emballement de la réaction ce qui est très visible à la fin de la vidéo.

 

b. Catalyse hétérogène

Définition : On dit d'une catalyse qu'elle est hétérogène si le catalyseur et les réactifs forment plusieurs phases.

Exemple : La réaction de décomposition (dismutation) de l'eau oxygénée peut être catalysée par le platine.

<Contenu manuscrit>

 

c. Catalyse enzymatique

Le catalyseur est une enzyme, c'est-à-dire une protéine élaborée par un organisme vivant.