Facteurs Influencant la Vitesse de Réaction
Introduction
Découvrez les facteurs qui modifient la rapidité des transformations chimiques
Définition de la vitesse de réaction
Qu'est-ce que la vitesse de réaction ?
La vitesse volumique de réaction est définie comme la variation de l'avancement de la réaction par unité de temps et par unité de volume.
Où :
- v est la vitesse volumique (en mol·L⁻¹·s⁻¹)
- V est le volume du milieu réactionnel (en L)
- x est l'avancement (en mol)
- t est le temps (en s)
La vitesse peut aussi s'exprimer en fonction de la concentration d'un réactif ou d'un produit :
Pour la réaction : aA + bB → cC + dD
Le signe négatif devant d[A]/dt indique que la concentration d'un réactif diminue au cours du temps.
- Vitesse volumique : mol·L⁻¹·s⁻¹ ou mol·m⁻³·s⁻¹
- Vitesse d'avancement : mol·s⁻¹
- Parfois exprimée en mol·L⁻¹·min⁻¹ ou mol·L⁻¹·h⁻¹
Influence de la température
Effet de la température
En général, une augmentation de température accélère la réaction chimique.
À température plus élevée, les molécules ont plus d'énergie cinétique.
Elles se déplacent plus vite et se heurtent plus fréquemment.
Plus de collisions sont efficaces (énergétiquement suffisantes).
Où :
- k est la constante de vitesse
- A est le facteur préexponentiel
- E_a est l'énergie d'activation (en J·mol⁻¹)
- R est la constante des gaz parfaits (8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹)
- T est la température absolue (en K)
En première approximation, une augmentation de 10°C double environ la vitesse de réaction.
Cette règle est valable pour les réactions à température modérée.
Elle permet de comprendre l'effet important de la température.
Influence de la concentration
Effet des concentrations
La vitesse d'une réaction dépend des concentrations des réactifs selon la loi de vitesse :
Où :
- k est la constante de vitesse (dépend de la température)
- α et β sont les ordres partiels (déterminés expérimentalement)
- α + β est l'ordre global de la réaction
Plus la concentration d'un réactif est élevée, plus la vitesse de réaction est grande.
Plus il y a de molécules réactives dans le volume, plus les collisions sont fréquentes.
Les réactions d'ordre supérieur sont plus sensibles aux variations de concentration.
- La corrosion est plus rapide dans une solution concentrée
- La digestion est plus rapide à concentration enzymatique élevée
- Les réactions acido-basiques sont plus rapides à pH extrême
Influence de la surface de contact
Surface de réaction
La vitesse de réaction dépend de la surface de contact entre les phases.
Plus la surface de contact est grande, plus la réaction est rapide.
Exemples : réaction d'un métal avec un acide, combustion d'un solide.
- Un solide pulvérisé réagit plus vite qu'un gros morceau
- Une solution est plus réactive qu'un solide
- Un gaz est plus réactif qu'un solide
- Le charbon broyé brûle plus vite que des morceaux de charbon
- Le sucre en poudre se dissout plus vite que des morceaux
- Les catalyseurs sont souvent très divisés
Influence des catalyseurs
Catalyseurs et vitesse
Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans être consommée.
Il modifie le mécanisme réactionnel en abaissant l'énergie d'activation.
Il ne modifie pas l'état d'équilibre de la réaction.
- Catalyse homogène : catalyseur dans la même phase que les réactifs
- Catalyse hétérogène : catalyseur dans une phase différente
- Catalyse enzymatique : catalyse biologique
Un catalyseur fournit un chemin réactionnel alternatif avec une énergie d'activation plus faible.
Plus d'entités réagissent avec suffisamment d'énergie.
La vitesse de réaction est donc augmentée.
Exercices d'application
Pratique des facteurs cinétiques
Une réaction chimique a une constante de vitesse k₁ = 0,01 s⁻¹ à 25°C et k₂ = 0,04 s⁻¹ à 35°C. Calculer le facteur d'accélération de la réaction entre ces deux températures.
La vitesse d'une réaction d'ordre 1 par rapport à A est de 0,02 mol·L⁻¹·s⁻¹ pour [A] = 0,10 mol·L⁻¹. Quelle est la vitesse si [A] = 0,30 mol·L⁻¹ ?
On étudie la réaction entre le zinc et l'acide chlorhydrique. Comparer les vitesses de réaction pour : a) Zinc en poudre b) Zinc en plaques. Expliquer.
Expliquer pourquoi les réactions catalysées ont une vitesse plus élevée que les réactions non catalysées.
Solutions des exercices
Corrections détaillées
Données : k₁ = 0,01 s⁻¹ à 25°C, k₂ = 0,04 s⁻¹ à 35°C
Facteur d'accélération = k₂/k₁ = 0,04/0,01 = 4
La réaction est 4 fois plus rapide à 35°C qu'à 25°C.
Pour une réaction d'ordre 1 : v = k[A]
Donc : v₁ = k[A]₁ et v₂ = k[A]₂
On a : v₂/v₁ = [A]₂/[A]₁
Donc : v₂ = v₁ × ([A]₂/[A]₁) = 0,02 × (0,30/0,10) = 0,02 × 3 = 0,06 mol·L⁻¹·s⁻¹
La vitesse est de 0,06 mol·L⁻¹·s⁻¹.
Le zinc en poudre réagit plus vite que le zinc en plaques.
La surface de contact entre le zinc et l'acide est plus grande avec le zinc en poudre.
Plus il y a de sites de réaction disponibles, plus la vitesse est élevée.
Les réactions catalysées ont une vitesse plus élevée car :
- Le catalyseur abaisse l'énergie d'activation E_a
- Plus d'entités réagissent avec suffisamment d'énergie
- Le facteur e^(-E_a/RT) dans la loi d'Arrhenius devient plus grand
- La constante de vitesse k augmente
Applications pratiques
Utilisation dans la vie quotidienne
- La cuisson est plus rapide à haute température
- Le sucre se dissout plus vite dans de l'eau chaude
- Le sel fin dissout plus vite que le gros sel
- Le pain cuit plus vite avec de la levure (catalyseur biologique)
- Utilisation de catalyseurs pour accélérer les réactions
- Augmentation de température pour augmenter la vitesse
- Augmentation de pression pour certaines réactions gazeuses
- Agitation pour augmenter le contact entre phases
- Les enzymes sont des catalyseurs biologiques
- La température corporelle est optimale pour les réactions enzymatiques
- Les concentrations en substrat influencent la vitesse enzymatique
- Les inhibiteurs peuvent diminuer la vitesse des réactions
Résumé
Points clés
- Température : plus T est élevée, plus la vitesse est grande
- Concentration : plus [réactifs] est élevée, plus la vitesse est grande
- Surface de contact : plus la surface est grande, plus la vitesse est grande
- Catalyseurs : abaissent E_a et augmentent la vitesse
- Vitesse volumique : v = (1/V)(dx/dt)
- Loi d'Arrhenius : k = A·e^(-E_a/RT)
- Loi de vitesse : v = k[A]^α[B]^β
- Effet température : T↑ ⇒ v↑
- Industrie chimique et pétrochimie
- Biotechnologies et médecine
- Alimentation et conservation
- Environnement et traitement des eaux
Conclusion
Félicitations !
Continuez à pratiquer pour renforcer vos compétences en physique-chimie