Cinétique et catalyse
I. Rappels d'oxydoréduction
Un oxydant est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons
Un réducteur est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs électrons
On note leurs équations comme ceci :
Oxydant + n.e- = réducteur
Fe2+ + 2e- = Fe MnO4- + 8H+ + 5e- = Mn2+ + 4H2O
Une réaction d'oxydoréduction est une réaction où deux couples rédox échangent un ou plusieurs électrons.
ATTENTION : on dit couple rédox mais on note l'oxydant à gauche et le réducteur à droite, de la forme : le couple oxydant/réducteur
Soit deux couples rédox. On doit déterminer l'équation de la réaction. On écrit tout d'abord les deux demi-équations. Ensuite, on les pose comme s'il s'agissait d'un système d'équation. On les pose de manière à ce que l'oxydant le plus fort soit du même côté que le réducteur le plus fort.
Il ne doit pas y avoir d'électrons dans l'équation bilan !
II. Transformations lentes et rapides
Cinétique chimique : Chaque système chimique évolue à une certaine vitesse. L'étude de l'évolution temporelle des systèmes chimiques constitue la cinétique chimique.
Classification cinétique : A l'échelle humaine, on distingue trois catégories de transformations chimiques :
- Les transformations rapides (quasi instantanées ou instantanées) de l'ordre de la seconde. On caractérise une transformation de rapide lorsque l'on ne peut suivre son évolution a œil nu ou avec des appareils de mesures courants.
- Les transformations lentes de l'ordre de quelques secondes à plusieurs heures. Contrairement aux transformations rapides, leur évolution peut être suivie à l'œil nu ou avec des appareils de mesure courants.
- Les transformations extrêmement lentes, supérieure à une journée. Par exemple la rouille ou la
moisissure.
III. Méthode de suivi temporel d'une transformation chimique
Effectuer le suivi temporel d'une transformation consiste à suivre l'évolution au cours du temps de la concentration d'un réactif ou d'un produit dans le système chimique étudié. Pour cela, on dispose de plusieurs méthodes :
Le titrage ou dosage : Titrer une espèce chimique en solution consiste à déterminer sa concentration, en mesurant sa quantité de matière dans un volume de solution connu.
Son principe : Voir chapitre « Les titrages »
La spectrophotométrie : La grandeur physique qui caractérise l'absorption d'une radiation lumineuse par une substance pour une longueur d'onde donnée est l'absorbance. Elle n'a pas d'unité et est notée A. La spectrophotométrie permet, avec un spectrophotomètre, de mesurer l'absorbance d'un corps donné.
Son principe : Voir les TP faits en classe. Elle permet en plus de titrer une espèce en solution lorsque cette dernière colore la solution d'observer une cinétique chimique très lente.
Autres méthodes :
Mesure de volume ou de pression : Dans le cas d'une transformation où une seule espèce
gazeuse est produite ou consommée, on peut déterminer sa quantité de matière en mesurant son volume V, à pression P et à température T donnés ou en mesurant sa pression P, à volume V et à température T donnés : P x V = n x R x T P en Pa, V en m3, n en mol, T en K. R est la constante des gaz parfaits égal à 8,314 SI (système international).
La conductimétrie : La conductivité sigma d'une solution électrolytique est fonction des concentrations des espèces ioniques en solution. Elle se mesure à l'aide d'un conductimètre. EN suivant l'évolution de la conductivité, on peut suivre une transformation en solution lorsque l'une au moins des espèces mises en jeu est un ion.
La CCM : On peut également évaluer la durée d'une synthèse par Chromatographie sur Couche Mince. On prélève à intervalles de temps réguliers un échantillon du milieu réactionnel. La réaction est terminée lorsque la forme des tâches n'évolue plus. Le temps de réaction est alors atteint.
IV. Temps de demi réaction
Il est noté t1/2.
C'est le temps nécessaire pour que l'avancement de la réaction atteigne la moitié de sa valeur maximale. A la date t1/2, x1/2=xmax/2
V. Facteurs cinétiques
Un facteur cinétique est un facteur influant la durée d'une transformation chimique.
La température : En général, une augmentation de cette dernière entraine une diminution de la durée de la réaction. Par exemple, placer les aliments dans un congélateur ou un réfrigérateur pour ralentir fortement les transformations de matières organiques. Pour étudier une réaction à un instant t on plonge le milieu réactionnel dans un bain de glace afin de ralentir suffisamment la réaction pour la considérer « à l'arrêt ».
La concentration des réactifs : En général, plus la concentration est élevée plus la
réaction est rapide. On peut stopper une réaction par dilution à l'instant où l'on veut faire l'analyse d'un mélange.
L'influence du solvant : Il solubilise les réactifs pour favoriser leur contact. Il influe donc la
durée de la réaction.
VI. Interprétation microscopique
Pour qu'une réaction chimique ait lieu, il fait que les réactifs mis en jeux subissent des chocs dit efficaces. La vitesse de réaction dépend de ces chocs efficaces. Plus la probabilité qu'un
choc efficace ait lieu entre deux entités réactives dans un intervalle de temps, plus la réaction est rapide.
VII. Catalyse
Un catalyseur : Un catalyseur est une substance chimique qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans en modifier le bilan ni apparaitre dans l'équation de la réaction.
Différents types de catalyse : Une catalyse est dite homogène lorsque les réactifs et le catalyseur ne forment qu'une seule phase. Le catalyseur participe à la réaction et est consommé lors d'une première étape puis régénéré lors d'une étape ultérieure. La réaction globale est remplacée par plusieurs réactions rapides successives. En catalyse homogène, l'efficacité du catalyseur augmente avec sa concentration.
Une catalyse est dite hétérogène lorsque les réactifs et le catalyseur sont dans des phases différentes. La catalyse à lieu à la surface du catalyseur (il est divisé : exemple des grains ou des
billes). Plus cette surface est grande plus son efficacité est augmentée.
Une catalyse est dite enzymatique si le milieu vivant est le siège de réactions biochimiques extrêmement rapides qui se produisent grâce à des catalyseurs biologiques : les enzymes.
Caractéristiques générales de la catalyse : Une petite quantité de catalyseurs peut transformer une grande quantité de réactifs. Lorsqu'une réaction est réversible, le catalyseur augmente simultanément les deux réactions. Un catalyseur ne fait qu'accélérer des réactions, il n'en déclenche aucune. Un catalyseur est spécifique à une réaction.
Un catalyseur est sélectif si à partir d'un mélange susceptible d'évoluer selon plusieurs réactions, il augmente la vitesse d'une seule de ces réactions.