Vitesse volumique de réaction et temps de demi-réaction
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Les quantités de réactifs ou de produits peuvent être déterminées par diverses méthodes.
Comment un système chimique évolue-t-il en fonction du temps ?
Comment définit-on la vitesse d’une transformation chimique ?
Qu’appelle-t-on temps de demi-réaction ?
Plaçons dans un bécher V = 50 mL d’une
solution d’eau oxygénée
(H2O2) (solution incolore), de
concentration C = 0,20 mol.L-1.
Versons dans cette solution V’ = 50 mL d’une
solution de iodure de potassium (K+ + I-)
acidifié (solution incolore) de concentration C’ =
0,20 mol.L-1.
La solution devient progressivement jaune, puis brune. La solution est très foncée au bout de plusieurs minutes, car du diiode se forme au cours de la transformation.
Le suivi temporel de la transformation peut se faire par
spectrophotométrie.
On détermine ainsi l’évolution de la
concentration en diiode I2 en
fonction du temps.
La réaction d’oxydoréduction met en jeu les couples I2/I- et H2O/ H2O2.
L’équation de la réaction d’oxydoréduction s’écrit :
Le tableau donnant l’absorbance en fonction du temps permet donc de tracer l’évolution de la concentration [I2] en fonction du temps, reproduit sur la figure ci-dessous :
Cette courbe permet d’étudier
l’évolution temporelle du système chimique en
fonction du temps, et de définir la vitesse de la
réaction.
La variation de la concentration est rapide au début, et devient de plus en plus lente : l’évolution du système est de moins en moins rapide au cours du temps.
À l’état
initial :
nH2O2 = CV = 50.10-3. 0,20 =
1,0.10-2 mol = 10 mmol
nI- = C’V’ = 50.10-3. 0,20 =
1,0.10-2 mol = 10 mmol
Les ions H+ sont en excès, dans le tableau,
on note « b » pour beaucoup (la
quantité exacte n’est pas importante).
La vitesse volumique d’une réaction correspond à la quantité de matière formée ou disparue par unité de temps et de volume. Elle est liée à la variation de l’avancement x de la réaction en fonction du temps, soit à la dérivée de l’avancement par rapport au temps.
Par définition, on appelle vitesse volumique de réaction v la grandeur :
Dans l’expérience, la vitesse volumique de la réaction diminue au cours du temps.
La vitesse de la réaction peut être déterminée graphiquement : elle est proportionnelle au coefficient directeur de la tangente à la courbe en un point d’abscisse t donné.
On appelle temps de réaction
t1/2 la durée au bout de
laquelle l’avancement x est égal à la
moitié de l’avancement maximal
xmax.
Cette grandeur s’exprime en seconde (s).
Dans l’expérience, l’avancement maximal est
xmax = 5,0 mmol.
On détermine graphiquement le temps de
demi-réaction, qui correspond à la durée
nécessaire pour que x = 2,5 mmol.
On lit sur le graphique : t1/2
= 1,3 min.
Remarque :
On peut considérer que la transformation est
terminée à t = 5 min, ce qui ne correspond pas
à 2 t1/2.
Le temps de demi-réaction ne correspond pas à la
moitié de la durée nécessaire pour que la
transformation soit terminée.
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