La cinétique chimique

Introduction

Certaines réactions sont immédiates (une explosion), d’autres prennent des heures, des jours, voire des siècles (la rouille, le vieillissement du vin). La cinétique chimique étudie la vitesse des transformations et les moyens de la contrôler.

Dans ce chapitre, tu vas apprendre à décrire l’évolution d’une réaction dans le temps et à identifier ce qui l’accélère ou la ralentit.

I. La vitesse d’une réaction

On distingue :

• les transformations rapides, qui semblent instantanées (précipitations, combustions vives) ;
• les transformations lentes, qui durent un temps mesurable et que l’on peut suivre dans le temps.

Au cours d’une réaction, la vitesse est liée à la variation des quantités de matière : on parle de vitesse de disparition d’un réactif ou de vitesse d’apparition d’un produit.

Évolution de la vitesse. La vitesse est maximale au début (les réactifs sont les plus concentrés) puis diminue au fur et à mesure que les réactifs sont consommés, jusqu’à s’annuler à l’état final.

II. Suivi temporel et temps de demi-réaction

Pour étudier une transformation lente, on réalise un suivi temporel : on mesure une grandeur au cours du temps (concentration, conductivité, absorbance, volume de gaz dégagé…) et on trace la courbe de l’avancement x en fonction du temps.

La courbe monte puis se stabilise : la réaction est terminée lorsque l’avancement atteint sa valeur finale x_max. La pente de la courbe représente la vitesse : elle est forte au début, puis diminue.

Temps de demi-réaction. Le temps de demi-réaction t₁/₂ est la durée au bout de laquelle l’avancement atteint la moitié de sa valeur finale (x = x_max / 2). C’est un bon indicateur de la durée d’une réaction.

III. Les facteurs cinétiques

Un facteur cinétique est une grandeur qui modifie la vitesse d’une réaction. Les deux principaux sont :

• la température : plus elle est élevée, plus la réaction est rapide ;
• la concentration des réactifs : plus les réactifs sont concentrés, plus la réaction est rapide.

Important. Un facteur cinétique change la vitesse, mais pas l’état final : on obtient les mêmes produits et le même x_max, simplement plus vite ou plus lentement. Pour stopper une réaction, on peut la refroidir brutalement (une trempe).

IV. Les catalyseurs

Un catalyseur est une espèce chimique qui accélère une réaction sans être consommée : on le retrouve intact à la fin, et il n’apparaît pas dans l’équation de la réaction.

On distingue trois types de catalyse :

• homogène : le catalyseur est dans la même phase que les réactifs ;
• hétérogène : le catalyseur est dans une phase différente (souvent un solide) ;
• enzymatique : le catalyseur est une enzyme (catalyseur biologique).

À retenir. Comme un facteur cinétique, un catalyseur modifie la vitesse mais pas l’état final de la transformation.

L’essentiel à retenir

À retenir.

• La vitesse d’une réaction est maximale au début puis diminue ; la pente de la courbe d’avancement la représente.
• Le temps de demi-réaction t₁/₂ correspond à x = x_max / 2.
• Facteurs cinétiques : température et concentration des réactifs ↑ → réaction plus rapide.
• Un catalyseur accélère la réaction sans être consommé et sans apparaître dans le bilan.
• Facteurs cinétiques et catalyseurs changent la vitesse, jamais l’état final.

Exercices

Exercice 1 — Évolution de la vitesse

On suit une transformation lente en traçant l’avancement x en fonction du temps. La courbe monte vite au début, puis de plus en plus lentement.

1. La vitesse de réaction est-elle plus grande au début ou à la fin ? Justifie à partir de la pente.
2. Pourquoi la vitesse diminue-t-elle au cours du temps ?

Exercice 2 — Temps de demi-réaction

Pour une transformation, l’avancement final est x_max = 8,0 mmol. Sur la courbe x(t), on lit que l’avancement vaut 4,0 mmol à la date t = 5,0 min.

1. Que représente la valeur 4,0 mmol par rapport à x_max ?
2. En déduire le temps de demi-réaction t₁/₂.

Exercice 3 — Facteurs cinétiques

On réalise deux fois la même réaction, une fois à 20 °C et une fois à 60 °C.

1. Dans quel cas la réaction est-elle la plus rapide ?
2. Obtient-on le même état final (même x_max) dans les deux cas ?
3. Cite un autre facteur cinétique permettant d’accélérer cette réaction.

Exercice 4 — Le rôle d’un catalyseur

On ajoute une petite quantité de catalyseur à une réaction lente.

1. Le catalyseur est-il consommé par la réaction ?
2. Apparaît-il dans l’équation de la réaction ?
3. Modifie-t-il l’état final (les produits obtenus) ?

Corrigés

Corrigé de l’exercice 1

1. La vitesse est plus grande au début : la pente de la courbe x(t) y est la plus forte, puis elle diminue.
2. La vitesse diminue car les réactifs sont de moins en moins concentrés au fur et à mesure qu’ils sont consommés.

Corrigé de l’exercice 2

1. 4,0 mmol est la moitié de x_max (8,0 / 2 = 4,0 mmol).
2. Le temps de demi-réaction est donc t₁/₂ = 5,0 min (date à laquelle x = x_max / 2).

Corrigé de l’exercice 3

1. La réaction est la plus rapide à 60 °C (une température plus élevée accélère la réaction).
2. Oui : le même état final est atteint (même x_max), seulement plus vite à 60 °C.
3. On peut aussi augmenter la concentration des réactifs.

Corrigé de l’exercice 4

1. Non : le catalyseur n’est pas consommé, on le retrouve intact à la fin.
2. Non : il n’apparaît pas dans l’équation de la réaction.
3. Non : il ne modifie pas l’état final ; il ne change que la vitesse.