Les vitesses de réaction

Grâce au développement de la chimie moderne, notre connaissance
des vitesses de réaction a évolué au point de permettre des avancées
spectaculaires dans plusieurs domaines. L’exemple de l’ingénierie
du bâtiment en démontre l’importance. Comment déterminer la vitesse
d’une réaction, comme celle de la dégradation des matériaux ?
Quels facteurs influencent la vitesse d’une réaction ?
■
Les vitesses
de réaction
241
6
CHAPITRE
6.1 Construit au-dessus
de la ville souterraine,
le Palais des congrès
de Montréal a nécessité
l’utilisation de matériaux
capables de résister
aux conditions difficiles
du site.
11120_cyr_ch_06-p239-260_Layout 1 2013-06-05 10:01 Page241

D
© ERPI Reproduction interdite
242 PARTIE III ❙ LA CINÉTIQUE CHIMIQUE ❙ THÉORIE
Dans ce chapitre, nous apprendrons à déterminer la vitesse d’une réaction. En
nous appuyant sur la théorie des collisions, nous examinerons comment et
pourquoi différents facteurs, telles la nature, la surface de contact et la concentra-
tion des réactifs, ainsi que la température du système et la présence d’un cataly-
seur influent sur la vitesse d’une réaction. Finalement, nous étudierons la loi qui
met en relation la vitesse d’une réaction et la concentration des réactifs.
Dans plusieurs domaines, il est important de connaître la vitesse de la réaction et
les facteurs qui l’influencent. En voici quelques exemples :
●En aérospatiale: la vitesse de combustion du carburant dans les moteurs de
fusée;
●En ingénierie routière (construction de ponts ou d’échangeurs, par exemple):
la vitesse de durcissement des bétons;
●En ingénierie du bâtiment: la vitesse de dégradation des matériaux;
●En pharmaceutique: la vitesse d’action des médicaments dans le corps humain;
●En environnement: la vitesse de production des produits toxiques et celle d’éli -
mi nation des polluants dans l’air ou dans l’eau;
●En médecine: la vitesse de progression d’une maladie.
Mais qu’est-ce que la vitesse de réaction ? On sait qu’au cours d’une réaction
chimique, des réactifs entrent en relation pour former des produits. La vitesse de
réaction correspond au rythme de cette relation, c’est-à-dire au rythme de trans -
formation des réactifs (disparition) ou de formation des produits (apparition).
6.1 Qu’est-ce que la vitesse
de réaction ?
CONCEPTS DÉJÀ VUS
oPropriétés caracté -
ristiques physiques
et chimiques
oConcentration
(mol/L)
oTransformations
physiques et
chimiques
LABO
15. LA MESURE D’UNE
VITESSE DE RÉACTION
DÉFINITION
La vitesse d’une réaction correspond à la quantité de réactifs transformés
par unité de temps ou à la quantité de produits formés par unité de temps.
On peut calculer la vitesse d’une réaction en fonction des produits formés.
Vitesse de réaction en fonction des produits
Vitesse de réaction = Quantité de produits formés
Intervalle de temps
On peut aussi calculer la vitesse d’une réaction en fonction des réactifs transformés.
Vitesse de réaction en fonction des réactifs
Vitesse de réaction =
— Quantité de réactifs transformés
Intervalle de temps
11120_cyr_ch_06-p239-260_Layout 1 2013-06-05 10:01 Page242

© ERPI Reproduction interdite
CHIMIE
■
CHAPITRE
6
CHAPITRE 6 ❙ LES VITESSES DE RÉACTION ❙ THÉORIE 243
Il est à noter que, par convention, on exprime les
vitesses de réaction par des valeurs positives. Puisque
la quantité de réactifs transformés sera toujours néga-
tive (car la quantité diminuera toujours, jusqu’à dis-
paraître), il faut mettre un signe négatif devant ce
terme de l’équation pour obtenir un résultat positif
(voir à la page précédente).
On peut d’ailleurs constater, dans le graphique de la
FIGURE 6.2 , que la quantité de réactifs diminue pro por -
tionnellement à l’augmentation de celle des pro duits, à
mesure que la transformation se déroule.
Comment déterminer
la vitesse d’une réaction
Expérimentalement, la quantité de réactifs transformés et la quantité de produits
formés peuvent se mesurer de différentes façons. Pour choisir la méthode la plus
appropriée, il faut tenir compte de l’état physique de la substance à mesurer (réac-
tif ou produit). Par exemple, on peut peser un solide, ou encore mesurer la pres-
sion d’un gaz. Le
TABLEAU 6.3 présente des façons de mesurer la quantité de matière
transformée ou formée en fonction de l’état physique de la substance à mesurer.
6.3 DIFFÉRENTES FAÇONS DE MESURER UNE QUANTITÉ DE MATIÈRE
EN FONCTION DE L’ÉTAT PHYSIQUE D’UNE SUBSTANCE
État physique Mesure de la quantité de matière
Solide Masse, nombre de particules
Liquide Masse, volume, nombre de particules
Gaz Masse, volume, pression, concentration, nombre de particules
Solution aqueuse Concentration
La façon de mesurer la quantité de matière détermine alors la méthode pour cal-
culer la vitesse de réaction. Le
TABLEAU 6.4 présente les formules qui en découlent.
6.2 LE NOMBRE DE PARTICULES
EN FONCTION DU TEMPS
D’UNE RÉACTION
Nombre de particules
Temps (s)
Produits
Réactifs
6.4 DIFFÉRENTES FAÇONS DE CALCULER LA VITESSE DE RÉACTION EN FONCTION
DE LA MESURE DE LA QUANTITÉ DE MATIÈRE CHOISIE
Mesure de Instrument Calcul de vitesse Unité de
la quantité de mesure mesure de
de matière la vitesse
Masse Balance g/s
Volume Cylindre gradué, L/s ou ml/s
burette à gaz
Pression Manomètre kPa/s
Concentration Spectrophotomètre, mol/L•s
pH-mètre
Nombre de Aucun mol/s
particules (s’obtient par calcul)
Vitesse =
∆masse
∆temps
Vitesse =
∆volume
∆temps
Vitesse =
∆pression
∆temps
Vitesse =
∆concentration molaire
∆temps
Vitesse =
∆nombre de particules
∆temps
Note: le symbole ∆signifie «variation de».
11120_cyr_ch_06-p239-260_Layout 1 2013-06-05 10:01 Page243

© ERPI Reproduction interdite
244 PARTIE III ❙ LA CINÉTIQUE CHIMIQUE ❙ THÉORIE
On fait réagir un morceau de 0,06 g de zinc dans 100 ml d’une solution d’acide chlorhydrique
à 2 mol/L, selon l’équation suivante:
Zn(s) + 2 HCl(aq) ➞ZnCl2(aq) + H2(g)
Après 142 min 28 s, on constate que le morceau de zinc
a complètement disparu. Quelle est la vitesse de cette réaction
en g/s ?
Vitesse = = = 7,02 ×10—6 g/s
La vitesse de la réaction est de 7 ×10—6 g/s
en fonction du zinc.
—(0 g — 0,06 g)
8548 s — 0 s
—∆masse
∆temps
La réaction du zinc dans l’acide chlorhydrique.
Les instruments de mesure permettant de déterminer la masse, le volume ou la
pression nous sont familiers. En ce qui a trait à la mesure de la concen tration, on
connaît habituellement la concentration initiale de la solution utilisée. Toutefois, il
est plus difficile de mesurer la variation de concentration de cette même solution
en fonction du temps. Dans ce sens, le spectrophotomètre et le pH-mètre sont des
appareils utiles. Le spectrophotomètre permet de mesurer l’absorbance, c’est-
à-dire la capacité d’une solution à absorber la lumière qui la traverse. Quant au
pH-mètre, il permet de déterminer le pH qui varie selon le niveau d’acidité ou de
basicité d’une solution.
Voyons quelques exemples de calculs de vitesse de réaction. Dans le premier
exemple, l’état physique de la substance choisie est solide. Par conséquent, c’est la
masse qui a été déterminée.
Un spectrophotomètreUne balance Un manomètre
6.5
Différents instruments permettant de déterminer la quantité de matière en jeu.
11120_cyr_ch_06-p239-260_Layout 1 2013-06-05 10:01 Page244

© ERPI Reproduction interdite
CHIMIE
■
CHAPITRE
6
CHAPITRE 6 ❙ LES VITESSES DE RÉACTION ❙ THÉORIE 245
Dans l’exemple de la page précédente, la vitesse de réaction a été déterminée en
mesurant le temps nécessaire pour faire réagir complètement une quantité
prédéterminée de zinc. On pourrait aussi mesurer la perte de masse du système
durant un certain laps de temps. Cette perte de masse correspond alors à la masse
de gaz formé qui s’est échappée dans l’air.
Voici un autre exemple dans lequel la vitesse de la réaction est déterminée en
mesurant le volume de gaz libéré en fonction du temps.
Soit la réaction du bicarbonate de sodium avec de l’acide acétique (vinaigre)
à une température de 22 °C et à une pression de 102,3 kPa.
En 1 min 26 s, vous recueillez, par déplacement d’eau, 46,8 ml de CO2.
L’équation chimique est la suivante:
NaHCO3(aq) + CH3COOH(aq) ➞H2O(l) + NaCH3COO(aq) + CO2(g)
Quelle est la vitesse de cette réaction, en ml/s ?
Vitesse = = =
Vitesse = 0,544 ml/s
La vitesse de la réaction est donc de 0,54 ml/s en fonction
du CO2gazeux produit.
46,8 ml
86 s
46,8 ml — 0 ml
86 s — 0 s
Δvolume
Δtemps
Pour déterminer la vitesse de réaction entre le bicarbonate de sodium et l’acide
acétique, on pourrait aussi suivre la progression de la réaction à l’aide d’un pH-
mètre. La mesure du pH permet de calculer la concentration en acide acétique
(voir le chapitre 8).
Lorsqu’une réaction est très lente, comme dans le cas de la décomposition des
plastiques, il est plus adéquat d’exprimer la vitesse de réaction en fonction d’une
unité de temps élargie, par exemple en heures ou en années.
Même si on détermine la vitesse d’une réaction en fonction d’une substance (réac-
tif ou produit), il ne faut pas oublier que la vitesse s’applique à l’ensemble de la
transformation. Donc, la vitesse de réaction devrait être la même peu importe la
méthode choisie, pourvu qu’on la compare dans les mêmes conditions, en mol/s
ou en mol/L•s.
COMMENT TRANSFORMER LES UNITÉS
D’UNE VITESSE DE RÉACTION ?
Par la formule qui met en relation la masse molaire et la masse, M= (voir
l’introduction), ou encore la formule des gaz parfaits, PV = nRT (voir le chapitre 2),
il est possible de transformer les quantités de matière mesurées expérimentale-
ment en mol ou en mol/L. Il est à noter toutefois que la variation de concentra-
tion ne peut être déterminée que pour une substance en phase aqueuse ou
gazeuse. Dans le cas d’un solide ou d’un liquide, la concentration ne varie pas avec
le temps. En fait, elle correspond à la masse volumique, propriété caractéristique
invariable.
Le dioxyde de carbone produit
est recueilli par déplacement
d’eau.
m
n
11120_cyr_ch_06-c-a_3.qxd:Layout 1 5/18/10 10:05 AM Page 245