Réactions lentes et rapides

Réactions lentes et rapides
Certaines réactions nous paraissent lentes alors que d’autres
sont tellement rapides qu’il nous est impossible d’observer la
transformation. Seuls quelques centièmes de seconde d’écart
dans le temps d’exposition distinguent une pellicule photo
surexposée d’un cliché réussi ! Comment détermine-t-on la
vitesse de réaction ? De quoi dépend-elle ? Le chimiste peut-il
intervenir pour modifier à sa convenance la vitesse d’une
transformation ? Est-il capable d’expliquer les variations de
vitesse ?
1. Qu’est-ce qu’un oxydant ? Un réducteur ?
Un oxydant est un atome, une molécule ou un ion capable de
capter un ou plusieurs électrons.
Par exemple, l’ion cuivre II est l’oxydant du couple
Il peut capter deux électrons pour former du cuivre selon la
demi-équation électronique suivante :
Un réducteur est un atome, une molécule ou un ion capable
de céder un ou plusieurs électrons.
Par exemple, l’ion fer II est le réducteur du couple
Il
peut céder un électron pour former l’ion fer III selon la demiéquation électronique suivante :
La demi-équation électronique d’un couple oxydant/réducteur
s’écrit :
2. Comment écrire une demi-équation
électronique ?
Pour écrire la demi-équation électronique d’un couple ion
métallique/métal, on applique l’écriture générale :
Le nombre d’électrons mis en jeu est imposé par l’égalité des
charges avant et après le symbole
Par exemple, la demi-équation électronique du couple ion
cuivre II/cuivre s’écrit :
Pour écrire la demi-équation électronique des autres couples, il
faut suivre différentes étapes.
Prenons l’exemple du couple ion permanganate/ion
manganèse pour comprendre les étapes qui permettent d’écrire
la demi-équation :
3. Comment écrire une équation
d’oxydoréduction ?
Une réaction d’oxydoréduction est caractérisée par des
échanges d’électrons entre un oxydant et un réducteur.
Avant d’écrire l’équation de la réaction d’oxydoréduction, il
faut identifier les deux couples mis en jeu et écrire leurs demiéquations électroniques en milieu acide ou en milieu basique
selon le cas.
Par exemple, si l’on verse de l’acide nitrique
sur
un copeau de cuivre
, les couples mis en jeu sont
et
L’ion nitrate est l’oxydant du couple
et le cuivre, le réducteur du couple
On en
déduit les demi-équations électroniques puis l’équation de la
réaction d’oxydoréduction :
4. Quelle est l’influence des facteurs
cinétiques sur la cinétique d’une réaction ?
Certaines transformations sont lentes, d’autres sont rapides.
Par exemple, la transformation d’un clou du fer à la rouille est
lente mais l’attaque de ce même clou par un acide concentré
est rapide.
On qualifie de très lentes les réactions qui se déroulent en
jours ou en heures, de lentes les réactions qui nécessitent
quelques secondes ou minutes, de rapides les réactions qui
semblent instantanées pour l’œil humain.
La température et la concentration sont des facteurs
cinétiques ; elles sont capables d’agir sur la vitesse d’une
réaction.
Ainsi, la vitesse d’une réaction augmente avec la température.
Par exemple, le temps de prise d’un plâtre sera plus court pour
une température estivale de 35 °C que pour une température
hivernale de -5 °C.
La vitesse d’une réaction augmente également avec la
concentration des réactifs.
Par exemple, une solution d’acide concentré attaquera un clou
beaucoup plus rapidement qu’une solution d’acide diluée.
5. Comment comparer des vitesses de
réaction ? Le temps de demi-réaction ?
La vitesse d’une réaction est définie par la relation
dans laquelle V, en litres (L), représente le volume de solution,
et
, en moles par seconde (mol.s -1), la dérivée de la
fonction x(t) donnant l’avancement de la réaction en fonction
du temps.
Les études expérimentales d’une réaction conduisant souvent à
déterminer l’évolution de la concentration en fonction du
temps, on exprime la vitesse de réaction en fonction de la
concentration.
Par exemple, si la réaction étudiée est :
,
le nombre de moles de diiode formé caractérise l’avancement
de la réaction.
On a alors :
avec
; soit :
D’où, dans ce cas, une vitesse de réaction
Cette vitesse est égale à la dérivée à la date t de la courbe
donnant l’évolution de la concentration de diiode en fonction
du temps, divisé par le volume du mélange réactionnel.
La dérivée est donnée par le coefficient directeur de la
tangente à la courbe à cette date.
Dans l’exemple ci-dessous, le coefficient directeur de la
tangente à la courbe
, en A, est plus grand que le
coefficient directeur de la tangente en B. La vitesse de réaction
à la date tA est donc plus élevée que la vitesse de réaction à la
date tB.
Le temps de demi-réaction, noté t 1/2, correspond au temps
nécessaire pour que l’avancement soit parvenu à la moitié de
sa valeur finale. Dans le cas d’une transformation considérée
comme totale, il correspond au temps nécessaire pour qu’il y
ait disparition de la moitié de la quantité de matière du réactif
limitant. On le détermine graphiquement à partir de la courbe
donnant l’évolution de la quantité de matière en fonction du
temps.
6. Quels phénomènes microscopiques
expliquent les différentes vitesses de
réaction ?
Nous avons vu précédemment que la vitesse d’une réaction
augmentait avec la température et avec la concentration des
réactifs.
La matière est constituée d’entités microscopiques en
perpétuel mouvement : c’est le phénomène d’agitation
thermique. Pour que deux entités réagissent, il faut qu’elles se
rencontrent avec une énergie suffisante. On dit qu’il y a un
« choc efficace ».
La vitesse d’une réaction augmente avec le nombre de chocs
efficaces par unité de temps. En élevant la température, on
accentue l’agitation thermique. Les entités voient leur vitesse
et leur énergie cinétique augmenter. Il y a une plus grande
probabilité de chocs et ces chocs ont lieu avec plus d’énergie.
Le nombre de chocs efficaces par unité de temps est donc plus
important et la vitesse de la réaction augmente.
En augmentant la concentration, on augmente la probabilité de
rencontre entre deux entités. Le nombre de chocs plus
important se traduit par un plus grand nombre de chocs
efficaces et donc un plus grand nombre de transformations ; la
vitesse de la réaction augmente.
À retenir

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Un oxydant est un atome, une molécule ou un ion
capable de capter un ou plusieurs électrons. Un
réducteur est un atome, une molécule ou un ion
capable de céder un ou plusieurs électrons.
La vitesse d’une réaction v augmente avec la
température et la concentration des réactifs.
Elle dépend du volume de solution et de l’avancement
de la réaction selon la relation :


Elle est d’autant plus élevée que le coefficient
directeur de la tangente à la courbe de l’avancement en
fonction du temps est grand.
Elle est liée au nombre de chocs efficaces par seconde.