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La cinétique chimique : vitesse de réaction et facteurs cinétiques

L’essentiel

La cinétique chimique étudie la vitesse des transformations. Une transformation est plus rapide quand la température ou la concentration des réactifs augmente, ou en présence d’un catalyseur. Sa durée se caractérise par le temps de demi-réaction t½. Pour une loi d’ordre 1, la vitesse de disparition vaut v = k × [A].

Transformations lentes et transformations rapides

La cinétique chimique s’intéresse à la durée d’une transformation, pas à son résultat. Une transformation est rapide si elle semble terminée dès que les réactifs sont mis en contact. Elle est lente si son évolution dure de quelques secondes à plusieurs jours ou plus.

  • Rapide : un précipité qui se forme dès le mélange de deux solutions.
  • Lente : la rouille du fer, l’oxydation des ions iodure par le peroxyde d’hydrogène.

Les facteurs cinétiques

Pour qu’une réaction ait lieu, les entités doivent se rencontrer avec assez d’énergie : ce sont les chocs efficaces. Un facteur cinétique est un paramètre qui agit sur la vitesse d’une transformation.

Les trois facteurs à connaître
FacteurEffetExplicationExemple
TempératurePlus elle est haute, plus la transformation est rapideLes entités s’agitent, les chocs efficaces sont plus nombreuxLe réfrigérateur ralentit la dégradation des aliments
Concentration des réactifsPlus elle est grande, plus la transformation est rapideLes rencontres sont plus fréquentesLe bois brûle plus vite dans le dioxygène pur
CatalyseurIl accélère la transformationIl ouvre un chemin plus facileLes enzymes du vivant

Astuce : Pour stopper une transformation avant un dosage, on réalise une trempe : on refroidit brutalement et on dilue, en jouant sur deux facteurs cinétiques à la fois.

Le catalyseur

Un catalyseur accélère une transformation sans être consommé et sans changer l’état final. Il n’apparaît pas dans l’équation bilan.

Type de catalysePrincipeExemple
HomogèneCatalyseur et réactifs sont dans la même phaseIons Fe³⁺ dans une solution de peroxyde d’hydrogène
HétérogèneCatalyseur dans une autre phaseMétaux du pot catalytique
EnzymatiqueLe catalyseur est une enzymeLa catalase, qui décompose le peroxyde d’hydrogène

Vitesse volumique et temps de demi-réaction

On suit une transformation par une mesure : pression, conductivité, absorbance ou titrage. On trace ensuite la concentration en fonction du temps.

GrandeurFormuleLecture sur la courbe
Vitesse de disparition du réactif Av = -d[A]/dtOpposé de la pente de la tangente
Vitesse d’apparition du produit Pv = d[P]/dtPente de la tangente
Temps de demi-réaction t½Durée pour atteindre la moitié de l’avancement finalAbscisse du point à mi-hauteur
  • Vitesse moyenne : [A] passe de 0,20 à 0,12 mol/L en 40 s, donc v = (0,20 - 0,12) ÷ 40 = 2,0 × 10⁻³ mol·L⁻¹·s⁻¹.

La loi de vitesse d’ordre 1

La vitesse diminue au cours du temps, car les réactifs s’épuisent. Pour vérifier l’ordre 1, on peut tracer ln[A] en fonction du temps : on doit obtenir une droite de pente -k.

Une réaction suit une loi d’ordre 1 si v = k × [A]. Alors [A](t) = [A]₀ × exp(-kt) et t½ = ln 2 ÷ k.

  • Avec k = 0,05 s⁻¹ et [A] = 0,30 mol/L : v = 0,05 × 0,30 = 0,015 mol·L⁻¹·s⁻¹.
  • Avec k = 0,0231 min⁻¹ : t½ = ln 2 ÷ 0,0231 ≈ 30 min.

Les erreurs à éviter

  • Le catalyseur augmente la quantité de produit formé. Le catalyseur permet d’atteindre plus vite le même état final.

    Il agit sur la durée, pas sur le résultat de la transformation.

  • t½ est la moitié de la durée totale de la réaction. t½ est la durée pour atteindre la moitié de l’avancement final.

    La vitesse décroît : la seconde moitié prend bien plus de temps que la première.

  • La vitesse de disparition est négative. La vitesse de disparition est positive.

    Le signe moins de la formule compense la pente négative de la courbe.

Exercices corrigés

  1. 1. Lequel de ces paramètres n’est pas un facteur cinétique ?

    Voir la correction

    La couleur du récipient. La couleur du récipient n’influence pas la fréquence des chocs efficaces.

  2. 2. Que fait un catalyseur ?

    Voir la correction

    Il accélère la transformation sans être consommé. Il accélère la transformation sans modifier l’état final.

  3. 3. [A] passe de 0,20 mol/L à 0,12 mol/L en 40 s. Quelle est la vitesse moyenne de disparition ?

    Voir la correction

    2,0 × 10⁻³ mol·L⁻¹·s⁻¹. v = 0,08 ÷ 40 = 2,0 × 10⁻³ mol·L⁻¹·s⁻¹.

  4. 4. La concentration finale du produit vaut 0,40 mol/L. Elle atteint 0,20 mol/L à t = 50 s et 0,30 mol/L à t = 100 s. Que vaut t½ ?

    Voir la correction

    50 s. La moitié de l’avancement final correspond à 0,20 mol/L, atteint à 50 s.

  5. 5. Pour une loi d’ordre 1, k = 0,0231 min⁻¹. Que vaut t½ ?

    Voir la correction

    30 min. t½ = ln 2 ÷ 0,0231 ≈ 30 min.

  6. 6. Pour une loi d’ordre 1, [A]₀ = 0,40 mol/L. Que vaut [A] après deux temps de demi-réaction ?

    Voir la correction

    0,10 mol/L. Chaque t½ divise [A] par 2 : 0,40 → 0,20 → 0,10 mol/L.

Questions fréquentes

Qu’est-ce qu’un facteur cinétique ?

C’est un paramètre qui modifie la vitesse d’une transformation. Les principaux sont la température, la concentration des réactifs et la présence d’un catalyseur.

Comment déterminer le temps de demi-réaction ?

Repère la valeur finale de la grandeur suivie, prends sa moitié, puis lis l’abscisse du point correspondant sur la courbe.

Pourquoi la vitesse diminue-t-elle au cours du temps ?

La concentration des réactifs baisse. Les chocs efficaces deviennent moins fréquents, donc la transformation ralentit.

Pour aller plus loin