Vitesse volumique de réaction
La vitesse volumique de réaction $v$ est la dérivée par rapport au temps de la concentration d'une espèce divisée par son coefficient stœchiométrique, avec le signe approprié.
La vitesse volumique de réaction caractérise l'évolution temporelle du système chimique. Elle est exprimée en mol·L⁻¹·s⁻¹.
Temps de demi-réaction
Le temps de demi-réaction $t_{1/2}$ est la durée au bout de laquelle la moitié des réactifs a été consommée (ou la moitié des produits formés). C'est une grandeur pratique pour comparer les cinétiques.
Suivi de l'avancement
Pour suivre temporellement une réaction, on mesure une grandeur physique liée à la concentration : absorbance (colorimétrie), conductance (conductimétrie), pression (pour un gaz), volume de gaz dégagé, etc.
L'avancement volumique $x$ (en mol·L⁻¹) est lié aux concentrations par : $[\text{X}_i] = [\text{X}_i]_0 + \nu_i \, x$. La vitesse s'écrit alors $v = dx/dt$.
Facteurs cinétiques
Les facteurs cinétiques sont les paramètres qui influencent la vitesse d'une réaction chimique. Deux facteurs sont au programme de Terminale.
| Facteur | Effet sur la vitesse | Exemple |
|---|---|---|
| Température $T$ | Augmente avec $T$ (loi d'Arrhénius) | MnO₄⁻ + H₂C₂O₄ : décoloration plus rapide à chaud |
| Concentration $c$ | Augmente avec $c$ des réactifs | Dismutation de S₂O₃²⁻ : plus rapide si $c$(H₃O⁺) est élevée |
| Catalyseur | Augmente sans changer le bilan | Platine ou catalase pour H₂O₂ → H₂O + O₂ |
Une élévation de température augmente la vitesse de réaction : les chocs entre molécules sont plus fréquents et plus énergétiques. À l'inverse, refroidir ralentit ou stoppe une réaction.
Augmenter la concentration des réactifs accroît la fréquence des chocs efficaces, donc la vitesse de réaction. Diluer un mélange réactionnel le ralentit.
Catalyse
Un catalyseur est une espèce chimique qui accélère une réaction sans être consommée dans le bilan global. Il n'apparaît pas dans l'équation de réaction finale et ne modifie pas l'état d'équilibre thermodynamique.
Types de catalyse
Catalyse homogène : le catalyseur est dans la même phase que les réactifs (ex. ions Fe³⁺ pour la décomposition de H₂O₂ en solution aqueuse).
Catalyse hétérogène : le catalyseur est dans une phase différente (ex. platine solide pour la décomposition de H₂O₂ liquide — disque catalytique des étuis à lentilles).
Catalyse enzymatique : le catalyseur est une enzyme, molécule biologique très spécifique (ex. catalase qui décompose H₂O₂ dans les cellules vivantes, le sang, le jus de légumes).
- Il n'est pas consommé : il se retrouve intact après la réaction.
- Il ne modifie pas l'état final d'équilibre (ni $\Delta G$, ni $K$).
- Il abaisse l'énergie d'activation $E_a$ en proposant un mécanisme alternatif.
- Il est souvent très sélectif (en particulier les enzymes).
Travaux pratiques
Ce TP explore les trois grands facteurs cinétiques à travers trois expériences distinctes :
- Réaction entre l'acide oxalique H₂C₂O₄ et les ions permanganate MnO₄⁻ à différentes températures (0 °C, ambiante, 80 °C) — suivi par la décoloration de la solution violette.
- Décomposition de l'eau oxygénée H₂O₂ en présence de platine (catalyse hétérogène), d'ions Fe³⁺ (catalyse homogène) et de catalase enzymatique (chou-rave).
- Dismutation des ions thiosulfate S₂O₃²⁻ en milieu acide — suivi par l'opacification due au soufre solide, avec deux concentrations d'acide différentes.
Le suivi conductimétrique permet de suivre l'évolution de la concentration des ions en solution au cours du temps, sans perturber le système. On en déduit la vitesse volumique et le temps de demi-réaction.
- Mesurer la conductance $G$ de la solution à intervalles réguliers depuis le mélange des réactifs.
- Convertir $G$ en concentration grâce à une courbe d'étalonnage ou à la loi de Kohlrausch.
- Tracer $[\text{réactif}] = f(t)$ et déterminer graphiquement $t_{1/2}$.
- Calculer la vitesse volumique initiale $v_0 = \left|\frac{d[\text{X}]}{dt}\right|_{t=0}$.
Vidéo de cours
Activité Python
L'environnement ci-dessous (Basthon) permet d'exécuter du Python directement dans le navigateur, sans installation. Le code pré-chargé simule l'évolution d'une concentration au cours du temps pour une cinétique d'ordre 1 et trace la courbe $[\text{X}](t)$.
Vous pouvez modifier les paramètres (constante de vitesse $k$, concentration initiale $c_0$) et relancer le calcul.
import matplotlib.pyplot as plt
# Cinétique ordre 1
k = 0.02 # s⁻¹
c0 = 1.0 # mol·L⁻¹
t = np.linspace(0, 300, 500)
c = c0 * np.exp(-k*t)
plt.plot(t, c)