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THEME 2 : COMPRENDRE/Lois et modèles
CHAP 10
TEMPS ET EVOLUTION CHIMIQUE : CINETIQUE ET
CATALYSE
1. RAPPELS SUR LES COUPLES OXYDANT/REDUCTEUR
1.1. Oxydant
- C’est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons
- L’espèce obtenue est un Réducteur
- Notation :
Oxydant + n.è = Réducteur
- On dit que l’oxydant se réduit
1.2. Réducteur
- C’est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs électrons
- L’espèce obtenue est un Oxydant
- Notation :
Réducteur n= Oxydant + n.è
- On dit que le Réducteur s’oxyde
1.3. Couples Oxydant/Réducteur
- Tous les Oxydants et réducteurs sont placés dans des « couples » notés :
ou :
Oxydant/Réducteur
Ox/Réd
- A chaque couple est associée une 1/2 équation d’oxydoréduction :
Ex :
Couple Cu2+(aq)/Cu(s)
1/2 équation d’oxydoréduction :
Cu2+(aq) + 2è = Cu(s)
ou :
Cu(s) = Cu2+(aq) + 2è
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1.4. Réaction d’oxydoréduction
- Elle met en jeu 2 couples d’oxydoréduction
- Il y a transfert d’électron du réducteur d’un couple à l’oxydant de l’autre couple
Ex :
Réaction entre le zinc métal et les ions cuivre
Couples Cu2+(aq)/Cu(s)
Zn2+(aq)/Zn(s)
- Première 1/2 équation :
Cu2+(aq) + 2è = Cu(s)
- 2ème 1/2 équation :
Zn(s) = Zn2+(aq) + 2è
- Equation
Cu2+(aq) + 2è = Cu(s)
Zn(s) = Zn2+(aq) + 2è
Cu2+(aq) + Zn(s) = Cu(s) + Zn2+(aq)
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2. RAPPELS : AVANCEMENT D’UNE REACTION CHIMIQUE
Soit la réaction : aA + bB = cC
+ dD
aA
Etat initial
Avancement
0
Etat en cours x
Etat final
xf (ou xmax)
+
bB
n0(A)
n0(B)
n(A ) =
n0(A) -ax
nf(A ) =
n0(A) -axf
n(B) =
n0(B) -bx
nfB) =
n0(B) -bxf
=
cC
n0(C)=
0
n(C)=
0 + cx
nf (C)=
0 + cxf
+
dD
n0(D)=
0
n(D)=
0 + dx
nf (D)=
0 + dxf
- L’avancement max, ou final, noté xf (ou xmax), se calcul en prenant la
+ petite valeur de x pour les réactifs
- La valeur de l’avancement détermine aussi le réactif en défaut
3. RAPPELS : TITRAGE
3.1. Principe
- C’est trouver la concentration d’une solution inconnue, à l’aide d’une solution de concentration connue
- En général la solution inconnue est placée ds un bécher, on l’appelle la solution à titrer
- La solution de de concentration connue est placée ds une burette, on l’appelle la solution titrante
Solution de
concentration
CB
connue
CB et de
volume Donné
VB
Solution de
concentration
inconnue
CA et de
volume donné
VA
- A l’aide de la burette on rajoute un certain volume ds le bécher, jusqu’à ce qu’on atteigne l’équivalence, ce
volume est appelé « volume à l’équivalence » noté VE
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- L’équivalence peut être repéré par un changement de couleur, ou en traçant une courbe, mais faut alors utiliser
un pH-mètre ou un conductimètre
- La réaction entre la solution connue et inconnue doit être rapide et totale
3.2. Equivalence
- A l’équivalence, le réactif titré et le réactif titrant ont été entièrement consommés, ils ont été introduit en
proportion stœchiométriques
- c'est-à-dire que le nb de moles des 2 réactifs = 0
- Si on a la réaction : aA + bB = cC
+ dD
A l’équivalence on peut écrire, sans faire de tableau :
𝐧𝑨 (𝒅é𝒑𝒂𝒓𝒕 𝒅𝒂𝒏𝒔 𝒍𝒆 𝒃é𝒄𝒉𝒆𝒓)
𝒂
=
𝐧𝑩 (𝒗𝒆𝒓𝒔é 𝒑𝒐𝒖𝒓 𝒂𝒗𝒐𝒊𝒓 𝒍′ é𝒒𝒖𝒊𝒗𝒂𝒍𝒆𝒏𝒄𝒆)
𝒃
C'est-à-dire :
𝐂𝐀 .𝐕𝐀
𝒂
=
𝐂𝐁 .𝐕𝐁𝐄
𝒃
3. REACTION RAPIDE ET LENTE
31. Réactions rapides
Une réaction est rapide lorsqu'elle semble achevée dès que les réactifs entrent en contact
3.2.Réactions lentes
Une réaction est lente lorsqu'elle dure de quelques secondes à plusieurs dizaines de minutes.
Remarque:
Lorsque l'évolution d'un système est possible, mais ne peut être appréciée, même après plusieurs jours, la réaction
chimique qui s'y déroule est infiniment lente. Ce système est cinétiquement inerte.
3.3. La cinétique chimique
- La durée d'évolution des systèmes chimiques est variable.
- La cinétique chimique est l'étude du déroulement des réactions chimiques au cours du temps.
- Divers paramètres agissent sur la rapidité d'évolution d'un système siège d'une réaction chimique :
ces paramètres constituent les facteurs cinétiques de la réaction.
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3. FACTEURS CINETIQUES
Un facteur cinétique est une grandeur qui influe sur la durée d’une transformation chimique
3.1. La température
Plus la température du milieu est élevée, plus la durée de la transformation est courte.
Le contraire est vrai aussi : plus la température du milieu est basse, plus ……
3.2. La concentration initiale des réactifs
Plus la concentration initiale des réactifs est grande, plus la durée de la transformation est courte.
3.3 Etat de surface des réactifs
- L’augmentation de l’état de division d’un des réactifs diminue la durée de la transformation
ex :
Un réactif en poudre « marche mieux « qu’un réactif solide
3.4. Autres facteurs cinétiques
La synthèse chlorophyllienne, le bronzage, la synthèse de la vitamine D par l'organisme constituent des exemples
de réactions photochimiques. De telles réactions illustrent le rôle d'un autre facteur cinétique : l'éclairement du
milieu réactionnel par une radiation de longueur d'onde appropriée.
4. LES CATALYSEURS
4.1. Caractéristiques d’un catalyseur
- C’est une substance qui accélère la réaction chimique sans apparaître dans l’équation-bilan
- Lorsque le catalyseur appartient à la même phase que les réactifs, la catalyse est dite HOMOGENE. la vitesse
de la réaction chimique augmente avec la concentration du catalyseur
- Lorsque le catalyseur n’appartient pas à la même phase que les réactifs, la catalyse est dite HETEROGENE. la
vitesse de la réaction chimique augmente avec la surface du catalyseur
- Lorsque le catalyseur est une enzyme, la catalyse est dite ENZYMATIQUE.
- Il a un rôle purement cinétique, il ne peut pas modifier le sens d’évolution d’un système ni son état d’équilibre
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4.2. Mode d’action d’un catalyseur
Il modifie le mécanisme réactionnel de la réaction, c’est à dire qu’il modifie la nature des étapes permettant de
passer des réactifs aux produits.
4.3. Sélectivité d’un catalyseur
1 catalyseur est sélectif, son action est spécifique.
Le chimiste peut décider, en choisissant le catalyseur, de la nature de la réaction
Ex :
T = 250°C
éthanal
Ethanol
Catalyseur :
Cu
T = 400°C
éthylène (C2H2)
Ethanol
Catalyseur :
Alumine
Al2O3
4.4. Catalyse et biologie
- Les réactions se produisant dans les organismes vivants ou réactions biochimiques sont souvent catalysées par
des macromolécules organiques appelées « enzymes ». Les enzymes sont des protéines. Leur sélectivité est très
importante; elle est liée à la structure spatiale de ces molécules.
- La salive, les sucs gastriques, pancréatiques ou intestinaux contiennent des enzymes
telles que l'amylase salivaire, la pepsine, la présure, la maltase, la lipase, etc.
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- Le nom d'une enzyme indique souvent la nature ou la transformation mise en jeu :
ainsi, l’amylase transforme l'amidon en maltose, la saccharase catalyse l'hydrolyse du saccharose en glucose et
fructose et les reductases favorisent les réductions des groupes carbonyles, acides, esters.
- Les enzymes sont très utilisées dans l'industrie agroalimentaire (fabrication du pain, préparation de boissons
fermentées, conservation des aliments et des boissons, etc.), l'analyse médicale et la synthèse de médicaments.
- Les enzymes sont des catalyseurs très efficaces
5. COMMENT SUIVRE L'EVOLUTION D'UN SYSTEME?
L’'étude de l'évolution temporelle d'un système consiste à déterminer expérimentalement la relation existant entre
l'avancement x du système et le temps t.
Cette étude peut faire appel à des méthodes chimiques ou à des méthodes physiques.
5.1. Les méthodes chimiques
- À intervalles de temps réguliers, on prélève un échantillon du mélange réactionnel, on bloque son évolution à un
instant t grâce à une trempe (refroidir rapidement le milieu pour stopper la réaction) et on détermine la
concentration de l'un des réactifs ou de l'un des produits par titrage.
- On en déduit alors l'avancement de la réaction dont on étudie la cinétique.
- Les méthodes de titrage sont étudiées plus tard.
Les méthodes chimiques sont utilisées pour des systèmes dont l'évolution est relativement lente.
5.2. Les méthodes physiques
L'avancement du système est déterminé à partir de la mesure d'une grandeur physique (absorbance, conductivité
électrique, pression, volume, etc.).
a) Mesure d'absorbance ou spectrophotométrie
Lorsque l'un des réactifs (ou l'un des produits) est coloré, l'absorbance du système évolue dans le temps.
L'application de la loi de Beer-Lambert permet de déterminer la concentration de ce réactif (ou de ce produit) et
d'en déduire l'avancement.
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b) Mesure de la conductivité ou conductimétrie
Lorsque la réaction consomme ou produit des espèces ioniques, la conductivité électrique, liée aux concentrations
de ces espèces, varie.
Sa mesure permet alors de déterminer la composition du système et son avancement.
c) Mesure de la pression ou manométrie
- Lorsque la réaction consomme ou produit des gaz, la pression du système, directement liée à la quantité de ces
espèces gazeuses, varie. Sa mesure permet alors de déterminer la composition du système et son
Les méthodes physiques permettent des mesures en continu, ne perturbent pas le système réactionnel et
sont bien adaptées à l'étude des évolutions rapides
5.3. Durée d'une réaction
- Pour caractériser la rapidité d'évolution d'un système, on peut s'intéresser à la durée de la réaction
qui s'y déroule
- On appelle durée d'une réaction chimique le temps t, nécessaire à la consommation totale du réactif
limitant.
- Pour t = tf, l'avancement x a atteint sa valeur maximale xmax.
- Lorsque la réaction est terminée, la quantité de matière d'au moins un des produits de la réaction
n'évolue plus.
Rem :
-L'utilisation de la chromatographie sur couche mince (CCM) permet, dans certains cas, de repérer la disparition
du réactif limitant et ainsi d'évaluer approximativement la durée de la réaction
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5.4. Temps de demi-réaction
Lorsque le système évolue très lentement, il est souvent difficile de savoir à quel moment la réaction est terminée.
Pour caractériser l'évolution d'un tel système, on considère alors le temps de demi-réaction
- Il est noté : t1/2
- C’est le temps au bout duquel l’avancement x (noté x1/2) est égale à la moitié de l’avancement max
xmax.
- C'est-à-dire que c’est la durée nécessaire pour que la moitié du réactif limitant soit consommée.
- Le temps de demi-réaction fournit une échelle de temps caractéristique du système étudié.
- On admet qu'un système, siège d'une réaction chimique, cesse d'évoluer au bout d'une durée de
l'ordre de quelques 5.t1/2.
A t = t1/2
on a x1/2 =
𝐱𝐦𝐚𝐱
𝟐