La cinétique des réactions chimiques
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La cinétique des réactions chimiques Unité 4 La cinétique des réactions chimiques Dans ce chapitre, nous aborderons l’étude du déroulement temporel des réactions chimiques, c’est-à-dire, l’étude de leur cinétique. 1. Qu’est-ce qu’une réaction chimique ? 2. Les changements suivants, sont-ils des réactions chimiques ? Justifiez votre réponse. - L’oxydation du fer - La fermentation d’un jus de fruits. - Une explosion 3. Comparez les réactions chimiques suivantes et classifiez-les selon leur vitesse - Formation de la rouille. - La décomposition de l’eau oxygénée par photolyse. - La combustion du butane. - La décomposition de l’eau par électrolyse. - La formation d’un précipité d’iodure de plomb. - Une explosion. - La dégradation des peintures Les transformations chimiques peuvent s’effectuer rapidement ou elles peuvent prendre des années, voire plusieurs siècles. Il y a des transformations très lentes, lentes, rapides ou très rapides. Il n’y a pas de frontière bien définie entre elles. - Une transformation est considérée comme rapide lorsqu’elle paraît se faire sitôt que les réactifs sont en contact. - Une transformation est considérée comme lente si son évolution peut être observée à l’œil nu. 4. On va manipuler différents produits chimiques. Sur leurs étiquettes, on trouve les pictogrammes suivants. Consultez le site http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Securite/Symboles.htm, indiquez leur signification et la description des risques qu’ils comportent. Produits chimiques Pictogramme Signification Description des risques Solutions commerciales de HCl (C) et H2SO4 (C) Solutions requises de HCl (XI) y H2SO4 (XI) 1 La cinétique des réactions chimiques Zinc métal, poudre (F), Magnésium métal, ruban (F) Chlorure de cuivre (II) 5. Faites les expériences. Indiquez les changements et le temps nécessaire pour les observer et classifiez les transformations suivantes : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Ajoutez quelques gouttes d’une solution de soude dans un bécher contenant une solution de nitrate de fer. Ajoutez à une solution incolore d’acide oxalique quelques millilitres d’une solution diluée et acidifiée de permanganate de potassium. Versez une solution d’acide chlorhydrique dans un erlenmeyer contenant un petit morceau de marbre. Ajoutez une solution d’acide sulfurique dans un erlenmeyer contenant des copeaux de zinc. Faites l’électrolyse d’une solution de chlorure de cuivre (II). Dans un bécher, mélangez une solution de thiosulfate de sodium et une solution d’acide chlorhydrique. Ajoutez de l’eau dans un erlenmeyer contenant un tout petit morceau de ruban de magnésium et quelques gouttes de phénophtaléine. Agiter continuellement le mélange. Classification Réaction selon le temps de Description de l’état initial réaction Description de l’état final 1 2 3 4 5 2 La cinétique des réactions chimiques 6 7 Ces réactions chimiques peuvent être représentées par les équations suivantes : 1. 3 NaOH (aq) + Fe(NO3)3 (aq) → Fe(OH)3 (s) + 3 NaNO3 (aq) 2. 2 KMnO4 (aq) + 6 HCl (aq) + 5 H2C2O4 (aq) → 2 MnCl2 (aq) + 8 H2O (l) + 10 CO2 (g) + 2 KCl (aq) 3. CaCO3(s) + 2 HCl (aq) → CaCl2(aq) + H2O (l) + CO2 (g) 4. Zn (s) + H2SO4 (aq) → ZnSO4 (aq) + H2 (g) 5. CuCl2 (aq) → Cu (s) + Cl2 (g) 6. Na2S2O3 (aq) + 2 HCl (aq) → 2 NaCl (aq) + H2O (l) + S (s) + SO2 (aq) 7. Mg (s) + 2 H2O (l) → Mg(OH)2 (aq) + H2 (g) 6. Indiquez la signification des symboles (aq), (l), (s), (g) et des coefficients stœchiométriques. Pourquoi la vitesse des réactions est-elle différente? La vitesse des réactions chimiques dépend de la nature des réactifs, mais, y a-t-il d’autres facteurs à prendre en considération ? La théorie des collisions interprète les réactions chimiques et elle explique l’influence des différents facteurs sur la vitesse des réactions. Pour qu’il y ait une réaction chimique, par exemple du type A2 + B → BA2, il faut : - que les particules (atomes, molécules ou ions) qui constituent A2 et B se rencontrent et qu’il y ait un choc entre eux. que le choc soit efficace, c’est-à-dire, qu’il conduise à la formation de AB2. La vitesse d’une réaction chimique dépend du nombre de chocs efficaces par unité de temps. Pour modifier la vitesse d’une réaction, il faut changer le nombre de chocs efficaces 3 La cinétique des réactions chimiques 7. Indiquez différentes façons d’augmenter la vitesse de la réaction représentée par l’équation Zn (s) + H2SO4 (aq) → ZnSO4 (aq) + H2 (g), c’est-à-dire, d’augmenter le nombre de chocs efficaces entre les atomes de zinc et les ions H+. - Concentration des réactifs Dans une solution, les molécules et les ions sont en mouvement incessant. Au cours de leur mouvement, des chocs entre les particules se produisent. La vitesse de formation des produits de la réaction est d’autant plus grande que le nombre de chocs efficaces est grand. La probabilité de choc est d’autant plus grande que le volume du récipient est petit et que le nombre de particules des réactifs est élevé. La grandeur qui permet de tenir compte des deux effets est la concentration des réactifs. - État de division d’un solide ou extension de la surface des solides Lorsque l’un des réactifs d’une réaction chimique se trouve à l’état solide, l’état de division constitue le facteur cinétique par lequel le solide agit sur le déroulement de la réaction. L’extension de sa surface comporte une augmentation du nombre de chocs entre les particules des réactifs, donc une augmentation de la vitesse de la réaction. - Température Une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des particules, atomes, molécules ou ions, leur vitesse augmente. Cela implique une augmentation du nombre de chocs et du nombre de chocs efficaces, la transformation chimique est de ce fait accélérée. Étude expérimentale 8. Comment peut-on définir la vitesse d’une réaction chimique ? 9. Comment peut-on lentes antérieures? Réaction mesurer la vitesse de chacune des réactions chimiques Mesure de la vitesse de réaction 2 3 4 5 6 7 10. Étude expérimentale de la vitesse de réaction de dismutation de l’ion thiosulfate (réaction 6). 4 La cinétique des réactions chimiques Propriété qui change pendant la réaction : Lorsqu’on ajoute une solution de thiosulfate de sodium à une solution d’acide chlorhydrique, au bout de quelques secondes apparaît un précipité blanc jaunâtre qui rend le mélange opaque. Si, avant l’expérience, on place sous le bécher une feuille de papier portant une croix noire, elle disparaîtra. Définition de la vitesse de réaction. La vitesse moyenne de formation du soufre dans cette réaction est : v= quantité de soufre formée temps Façon de mesurer la vitesse de réaction : Pour mesurer la vitesse d’apparition du soufre, déclenchez le chronomètre au moment de mélanger les réactifs et notez la durée nécessaire pour que le motif ne soit plus visible par un observateur placé audessus du bécher. Afin que l’épaisseur à travers laquelle nous observons le motif soit toujours la même, nous utiliserons une série de béchers identiques contenant le même volume total. Puisque la quantité de soufre sera la même dans toutes les expériences, la durée nécessaire pour que le motif ne soit plus visible est inversement proportionnel à la vitesse moyenne de formation du soufre. Conditions de réaction : si on introduit un thermomètre dans le mélange, on constate que la température n’a quasiment pas varié au cours de l’expérience. La réaction se déroule à température constante. Il faut préciser les concentrations des solutions d’acide chlorhydrique et de thiosulfate de sodium employées. C acide chlorhydrique = 36’5 g/L C thiosulfate de sodium = 31’6 g/L Ces concentrations vont être modifiées pour mettre en évidence l’influence des concentrations sur la vitesse des réactions. Procédé expérimental : Dans un bécher, on mélange V1 mL de solution d’acide chlorhydrique, V2 mL de solution de thiosulfate de sodium et V3 mL d’eau, de manière à ce que V1 + V2 + V3 soit égal a 50 mL. Pour étudier l’influence de la concentration d’acide on réalise une série d’expériences où la concentration de la solution de thiosulfate de sodium est toujours la même, c’està-dire, le volume V2 est constant. 5 La cinétique des réactions chimiques - V1 (mL) V2 (mL) V3 (mL) 40 10 0 20 10 20 10 10 30 5 10 35 C (HCl) (g/L) C (Na2S2O3) (g/L) t (s) Calculez les concentrations des solutions d’acide chlorhydrique et de thiosulfate de sodium après dilution et complétez le tableau. Complétez : On constate que le temps nécessaire à la disparition du motif _______________ lorsque la concentration initiale d’acide ___________. On en déduit que la vitesse moyenne de formation de soufre ____________ quand la concentration d’acide ________________ Pour étudier l’influence de la concentration de thiosulfate de sodium on réalise une série d’expériences où la concentration d’acide est toujours la même, c’est-à-dire, le volume V1 est constant. - V1 (mL) V2 (mL) V3 (mL) 5 45 0 5 25 20 5 15 30 5 5 40 C (HCl) (g/L) C (Na2S2O3) (g/L) t (s) Calculez les concentrations des solutions d’acide chlorhydrique et de thiosulfate de sodium après dilution et complétez le tableau. Complétez : On constate que le temps nécessaire à la disparition du motif _______________ lorsque la concentration initiale de thiosulfate de sodium ___________. On en déduit que la vitesse moyenne de formation de soufre ____________ quand la concentration de thiosulfate de sodium ________________ 11. Dessinez d’autres expériences montrant l’influence de la concentration, de l’étendue de la surface des solides et de la température sur la vitesse de réaction. - Expérience pour vérifier l’influence de la concentration sur la vitesse de réaction. Réaction : Propriétés qui changent pendant la réaction : Définition de la vitesse de réaction : Façon de mesurer la vitesse de réaction : Conditions de réaction : Procédé expérimental : 6 La cinétique des réactions chimiques - Expérience pour vérifier l’influence de l’étendue de la surface des solides sur la vitesse de réaction. Réaction : Propriétés qui changent pendant la réaction : Définition de la vitesse de réaction : Façon de mesurer la vitesse de réaction : Conditions de réaction : Procédé expérimental : - Expérience pour vérifier l’influence de la température sur la vitesse de réaction. Réaction : Définition de la vitesse de réaction : Propriétés qui changent pendant la réaction : Façon de mesurer la vitesse de réaction : Conditions de réaction : Procédé expérimental : 12. Effectuez les expériences antérieures et rédigez les conclusions. Est-ce que la théorie des collisions peut justifier ces conclusions ? La marmite pression « Il arrive, en cuisine comme ailleurs, qu’on soit pressé, que le temps disponible pour préparer un plat soit limité, et qu’un légitime orgueil (ou des contraintes économiques) fasse rejeter le recours aux plats tout préparés. Comment gagner du temps pour une cuisson quand on pense à ces milliards de milliards de liaisons qu’il faut briser avant que les carottes ne deviennent fondantes ? … Il faut élever la température Malheureusement, les carottes sont pleines d’eau et l’eau bout à 100 ºC. Or ceci n’est vrai que si la pression qui règne là où cuisent nos légumes à la valeur dite standard, repérée par les 760 mm de mercure du baromètre. Si l’on augmente cette pression, l’eau bout à des températures de plus en plus élevées. Pour une valeur double de la valeur standard, la température d’ébullition dépasse 120 ºC, et atteint 130 ºC pour une pression égale à 3 fois la pression normale. 7 La cinétique des réactions chimiques Pour gagner du temps il suffit de cuire nos carottes sous pression, reste à savoir comment. Imaginons un récipient solide, fermé de façon étanche, transparent et rempli d’eau à moitié de sa hauteur. Chauffons cette eau : contrairement à ce qui se passe dans une casserole, l’eau ne se met pas à bouillir lorsque la température atteint, puis dépasse 100 ºC, cependant la pression à l’intérieur du récipient augmente, dangereusement même. Nous avons prévu une soupape de sécurité qui laisse échapper le gaz lorsque la pression atteint deux fois la pression ordinaire. Dès que le gaz commence à s’échapper, l’eau se met à bouillir et nous savons que sa température est alors de 120 ºC environ. Nous avons construit une marmite à pression, une « cocotte-minute », et nos carottes seront cuites en un tournemain. Certes, on peut tout cuire dans une marmite à pression, mais le résultat risque d’être souvent médiocre pour de multiples raisons : tâchons d’énumérer tout ce qui se passe dans une cuisson à l’air libre, et qui ne peut pas se passer dans une marmite à pression. D’abord, le cuisinier suit la cuisson, la regarde, la goûte, la sent, et rectifie l’assaisonnement et la consistance, bref, entretient une relation intime avec son plat. D’autre part, la surface de contact de la préparation avec l’air, en particulier avec l’oxygène, permet à des réactions chimiques spécifiques (on les appelle des oxydations) de se produire. Ces réactions jouent parfois un rôle important dans le développement de l’arôme. D’après « Cuisine et molécules », J. Matricon et D. Riberzani Hachette Jeunesse 13. Répondez - Expliquez la phrase « quand on pense à ces milliards de milliards de liaisons qu’il faut briser avant que les carottes ne deviennent fondantes ». Est-ce que la cuisson des aliments est un changement physique ou un changement chimique ? - Qu’est-ce que la pression dite « standard » ? Indiquez la valeur de cette pression en atmosphères, mm de mercure et Pascal. - Quel est le rapport entre la pression et la température d’ébullition de l’eau ? - Dans les livres de cuisine, on donne approximativement les temps de cuisson suivants : - pommes de terre à l’eau dans une casserole : 30 à 40 min. - pommes de terre dans un autocuiseur : 15 à 20 min. - pommes de terre frites (cuissons dans l’huile) : 10 min. Justifiez ces différences de temps de cuisson. 8 La cinétique des réactions chimiques 14. Les aliments sont, pour la plupart, des substances organiques prélevées sur des espèces végétales ou animales. Ces substances, après les avoir détachées de l’organisme d’origine et sous l’action de microorganismes, deviennent le siège de diverses réactions de décomposition qui produisent de véritables poisons appelés toxines. Pourquoi la conservation des aliments se fait-elle à basse température? Quel est le temps de conservation dans un réfrigérateur ? Et dans un congélateur ? 15. Pourquoi le temps de cuisson des pommes de terre diminue-t-il lorsqu’elles sont coupées en petit morceau ? 16. En quoi consiste la digestion? Pourquoi faut-il bien mâcher les aliments ? La catalyse Les catalyseurs sont des substances susceptibles de modifier la vitesse de réaction, sans qu’ils subissent eux-mêmes de modifications permanentes. L’action d’un catalyseur sur une réaction constitue une catalyse de cette réaction. 17. Quel est le rôle des conservateurs alimentaires ? 18. Indiquez des techniques de conservation des aliments. Consultez les sites http://fr.wikipedia.org/wiki/Conservation_des_aliments http://www.innocuite.org/loader.php?src=http://www.innocuite.org/pages/connaissances/c onservation/additif/plan_additif.html http://www.eufic.org/fr/food/pag/food26/food264.htm http://www.prevention.ch/mangersainementcancer9.htm Est-ce que vous êtes pour ou contre l’emploi des additifs alimentaires comme méthode de conservation des aliments ? Rédigez un texte argumentatif. 19. Quel est l’intérêt et le rôle du pot catalytique ? Consultez les sites : http://www.histomobile.com/histomob/tech/1/88.htm http://www.citroen.fr/Cwf/Citroen/GenericIframeSB.aspx?RubricId=af207b92-73eb-410c9846-b954cbd96c26 Quels sont les polluants dégagés par la combustion des carburants ? Quels sont les produits de réaction obtenus dans le pot catalytique ? Décrivez un pot catalytique. Quels sont les catalyseurs dans un pot catalytique ? Complétez les réactions qui ont lieu dans un pot catalytique. 1 cm 9 La cinétique des réactions chimiques L’eau oxygénée est une solution aqueuse de peroxyde d’hydrogène, H2O2. À température ordinaire le peroxyde d’oxygène se décompose très lentement : 2 H2O2 (l) → 2 H2O (l) + O2 (g) Il y a des substances qui catalysent cette réaction 20. Dans un bécher, versez avec précaution 20 cm3 environ d’eau oxygénée concentrée. Plongez dans la solution un fil de platine. - Après quelques instants, qu’est-ce qu’on peut observer ? Où ? - Quel est le gaz dégagé ? 21. Dans un bécher, versez 5 cm3 d’eau oxygénée concentrée et 15 cm3 d’eau. Ajoutez quelques millilitres d’une solution de chlorure de fer (III). - Qu’est-ce qui se passe ? - Quelle est la couleur de la solution de chlorure de fer (III) ? - Quelle est la coloration du mélange pendant la réaction ? - Une fois la réaction achevée, quelle est la coloration de la solution ? Interprétez les changements de couleurs. 22. L’oxyde de cuivre (II), l’oxyde de manganèse (IV) et l’oxyde de zinc catalysent aussi la décomposition du peroxyde d’oxygène. Dessinez une expérience pour vérifier leur efficacité. Chimie amusante 23. Faites l’expérience suivante, en prenant vos précautions : Placez un morceau de sucre dans un creuset et chauffez-le avec un briquet Qu’est-ce qui se passe ? Prendre un nouveau morceau de sucre et refaire de même après y avoir déposé avec le doigt un tout petit peu de cendres de cigarette. Qu’est-ce qui se passe ? Interprétation : Le sucre, qui est un combustible hydrocarboné, devrait donner une combustion avec le dioxygène de l'air lorsqu'on le chauffe dans une flamme. Cependant, l'énergie de la flamme du bec Bunsen, pourtant très élevée, n'est pas suffisante pour initier la combustion et le sucre fond puis se transforme en caramel (polymérisation). 10 La cinétique des réactions chimiques Pour provoquer la combustion du sucre il faudrait augmenter considérablement l'énergie de la flamme (chaleur) ou bien faire en sorte que la réaction de combustion demande beaucoup moins d'énergie. Comme nous ne pouvons pas augmenter la température de la flamme du bec Bunsen, nous choisissons la deuxième solution : utiliser une substance (la cendre de cigarette) qui agit comme un catalyseur de la combustion. C'est-à-dire une substance qui n'est pas consommée au cours de la réaction mais qui la facilite considérablement en abaissant la quantité d'énergie nécessaire pour faire la réaction chimique. La cendre contient des sels et oxydes minéraux ainsi que des résidus carbonés. Le catalyseur va provoquer la combustion du sucre à plus basse température que sa transformation en caramel, d'où l'apparition d'une flamme bien visible et de carbone lorsqu'on le chauffe. Cette expérience est encore plus surprenante si on utilise tout simplement la petite flamme d'une allumette. Précautions à prendre : Le caramel liquide chaud est extrêmement brûlant car il colle fortement à la peau. http://www.univ-pau.fr/~darrigan/chimie/exp15.html 11
