Qu’est-ce que la cinétique chimique ?
La cinétique chimique étudie la vitesse des réactions chimiques. Contrairement à la thermodynamique, qui s’intéresse aux états d’équilibre, la cinétique s’intéresse à comment et à à quelle vitesse une réaction évolue dans le temps. Elle est essentielle pour comprendre pourquoi certaines réactions sont quasi-instantanées alors que d’autres prennent des heures, voire des années.
Une réaction rapide est terminée en moins d’une seconde. Impossible de suivre son évolution à l’œil nu, comme par exemple l’acidification d’une solution de soude par de l’acide chlorhydrique.
Une réaction lente prend plusieurs secondes, minutes, voire plus. On peut suivre ses étapes, comme lors de la formation de la rouille sur du fer exposé à l’humidité.
Comment suivre l’évolution d’une réaction chimique ?
On cherche à connaître l’avancement ξ (xi) de la réaction en fonction du temps. L’avancement est lié à la quantité de matière transformée au cours de la réaction.
Méthodes de suivi d’une réaction lente :
- Chromatographie sur couche mince (CCM) : méthode qualitative pour détecter la présence de produits ou réactifs.
- Dosage chimique : permet de mesurer la concentration d’un réactif ou produit à différents instants.
- Spectrophotométrie : mesure l’absorbance d’une solution colorée pour déduire la concentration en appliquant la loi de Beer-Lambert.
- Conductimétrie : suit l’évolution de la conductivité électrique d’une solution, utile en présence d’ions.
- Manométrie : mesure la pression d’un gaz produit ou consommé lors de la réaction.
Le temps de demi-réaction et la vitesse de réaction
Définition du temps de demi-réaction
Le temps de demi-réaction, noté t1/2, est le temps nécessaire pour que la moitié du réactif soit consommée. Mathématiquement, c’est l’instant où ξ = ξmax/2.
Durée totale d’une réaction
La durée totale est souvent estimée à environ 7 fois le temps de demi-réaction.
Calcul de la vitesse volumique de réaction
La vitesse volumique de réaction est donnée par la formule :
v = (1/V) × (dξ/dt)
où :
- v est exprimée en mol.L−1.s−1
- V est le volume du système en litres
- ξ est l’avancement en moles
- t est le temps en secondes
La vitesse est maximale au début, puis diminue au fur et à mesure que la réaction progresse.
Les facteurs qui influencent la vitesse d’une réaction
La température
Augmenter la température favorise la collision des molécules et augmente donc la vitesse. C’est pour cette raison qu’on conserve les aliments au froid pour ralentir les réactions chimiques responsables de leur dégradation.
La concentration initiale
Une concentration plus élevée de réactifs augmente la fréquence des collisions entre molécules, accélérant ainsi la réaction.
Le solvant
Le choix du solvant peut modifier la vitesse en facilitant ou en freinant les rencontres entre molécules réactives.
La catalyse
Un catalyseur est une espèce qui augmente la vitesse d’une réaction sans être consommée. Il existe plusieurs types de catalyse :
- Catalyse homogène : réactifs et catalyseur dans la même phase.
- Catalyse hétérogène : réactifs et catalyseur dans des phases différentes, par exemple un gaz et un solide.
- Catalyse enzymatique : catalyse réalisée par une enzyme dans un organisme vivant.
Exemples classiques de catalyse
La dismutation de l’eau oxygénée
La décomposition de l’eau oxygénée H2O2 en eau et dioxygène est lente sans catalyseur :
2H2O2 → 2H2O + O2
Catalyse homogène avec les ions Fe3+
Les ions fer favorisent la réaction par deux étapes successives, chacune plus rapide que la réaction sans catalyseur. À la fin, on retrouve l’équation globale, et les ions fer sont régénérés.
Catalyse hétérogène avec un fil de platine
Le fil de platine solide offre une surface où les molécules d’eau oxygénée se décomposent plus rapidement. Plus la surface du fil est grande, plus la réaction est rapide.
Comment déterminer l’ordre d’une réaction ?
Cas d’une réaction d’ordre 0
La vitesse ne dépend pas de la concentration des réactifs. L’évolution de la concentration est linéaire :
[A] = [A]0 – k × t
Le temps de demi-réaction dépend de la concentration initiale.
Cas d’une réaction d’ordre 1
La vitesse est proportionnelle à la concentration :
v = k × [A]
La concentration évolue de manière exponentielle :
[A] = [A]0 × e−kt
Le temps de demi-réaction ne dépend pas de la concentration initiale.
Résumé graphique pour identifier l’ordre
- Si la courbe [A] en fonction du temps est une droite, la réaction est d’ordre 0.
- Si la courbe ln[A] en fonction du temps est une droite, la réaction est d’ordre 1.
Applications concrètes de la cinétique chimique
La cinétique chimique a des applications dans de nombreux domaines :
- Conservation des aliments : ralentir la dégradation chimique par le froid.
- Industrie pharmaceutique : contrôler la vitesse de libération des principes actifs.
- Énergie : optimiser les réactions dans les batteries et les moteurs.
- Environnement : comprendre la dégradation des polluants dans l’atmosphère ou les océans.
