Étudier l'influence de divers paramètres sur la vitesse d'un acte élémentaire - Maxicours

Étudier l'influence de divers paramètres sur la vitesse d'un acte élémentaire

Objectif

Interpréter l’influence des concentrations et de la température sur la vitesse d’un acte élémentaire, en termes de fréquence et d’efficacité des chocs entre entités.

Points clés
  • Un acte élémentaire est une réaction qui se fait en une seule étape et qui implique au maximum deux molécules comme réactifs.
  • Une réaction a lieu lorsque le choc entre deux particules de réactifs est efficace : les produits sont formés à l’issue du choc.
  • La probabilité pour qu’un choc soit efficace augmente lorsque les vitesses des particules sont plus élevées, c’est-à-dire lorsque la température augmente.
  • Le nombre de chocs efficaces par seconde augmente si la concentration des réactifs augmente, car dans ce cas le nombre de chocs par seconde (ou fréquence des chocs) augmente du fait du plus grand nombre de particules de réactifs dans un volume donné.
  • La vitesse d’un acte élémentaire augmente lorsque la température ou la concentration des réactifs augmente.
  • Un acte élémentaire est une réaction qui suit une loi de vitesse d’ordre 1 par rapport à ses réactifs et ses produits, si les coefficients stœchiométriques dans l’équation de la réaction sont égaux à un.
Pour bien comprendre
  • Vitesse volumique d’apparition et de disparition
  • Loi de vitesse d’ordre 1
1. Acte élémentaire et probabilité de chocs efficaces
a. Acte élémentaire

Le mouvement brownien correspond au mouvement incessant des particules de manière aléatoire et désordonné.


Illustration du mouvement brownien
d’une particule test (boule rouge)

Les particules peuvent entrer en collision et changer de nature : c’est le principe d’une réaction chimique.

Un acte élémentaire est une réaction se déroulant en une seule étape et qui fait intervenir une ou deux molécules au maximum parmi les réactifs.

Soit un acte élémentaire d’équation : A + B  C + D.

Cette réaction a lieu si les réactifs A et B entrent en collision et si au cours du choc des liaisons se rompent et d'autres se forment : cela conduit alors à la formation des produits C et D.

Dans le cas où les entités A et B rebondissent l'une sur l'autre lors de la collision sans qu'il y ait réaction, le choc est dit élastique.

b. Chocs efficaces et inefficaces

On distingue deux types de chocs entre les réactifs :

  • les chocs efficaces qui aboutissent à la formation des produits C et D ;
  • les chocs inefficaces qui laissent les entités A et B inchangées.

Illustration d’un choc efficace et d’un choc inefficace
c. L'efficacité d'un choc

L’efficacité d’un choc dépend de l’énergie mise en jeu. Cette énergie est fonction des valeurs vitesses des entités A et B, de leurs formes, de l’orientation des entités avant le choc, etc.

La probabilité pour qu’un choc entre deux réactifs soit efficace est d’autant plus grande que la vitesse des particules est grande avant le choc.

Plus il y a de chocs par unité de temps entre les deux réactifs, et plus la probabilité pour qu'un choc efficace ait lieu est grande.

La probabilité pour qu’un choc efficace entre deux réactifs ait lieu est d’autant plus grande que la fréquence des chocs (nombre de chocs par seconde) est grande.
2. La vitesse d'un acte élémentaire
a. Vitesses volumiques de disparition et d'apparition

La vitesse d’un acte élémentaire est définie par les vitesses volumiques d’apparition et de disparition de chaque réactif et produit.

Vitesse volumique de disparition

La vitesse volumique de disparition d’un réactif vRéactif se calcule à partir de la dérivée temporelle de la concentration molaire du réactif, notée [R].

avec :
  • vRéactif la vitesse volumique de disparition du réactif, en mol·L1·s1
  • [R] la concentration en quantité de matière du réactif, en mol·L1
  • t en seconde (s)
Remarque
La vitesse de disparition doit être positive. La dérivée temporelle de la concentration du réactif étant négative (car le réactif est consommé), on met un signe moins devant cette dérivée.
Vitesse volumique d’apparition

La vitesse volumique d’apparition d’un produit vProduit se calcule à partir de la dérivée temporelle de la concentration molaire du produit, notée [P].

avec :
  • vProduit la vitesse volumique de disparition du réactif, en mol·L1·s1
  • [P] la concentration en quantité de matière du réactif, en mol·L1
  • t en seconde (s)
Vitesses lors d’un acte élémentaire

Pour un acte élémentaire dont l’équation est A + B  C + D, on a les expressions suivantes des vitesses :

 ;  ;  ;

Dans le cas d’un acte élémentaire où tous les coefficients devant les formules des réactifs et des produits sont égaux à un, l’acte élémentaire suit une loi de vitesse d’ordre 1 par rapport à chacun des réactifs et des produits.

vA = kA × [A] ; vB = kB× [B] ; vC = kC × [C] ; vD = kD × [D]

Avec les vitesses en mol·L1·s1, les concentrations en mol·L1 et les constantes ki (i = A, B, C et D) en s1.

La vitesse de disparition des réactifs (et d’apparition des produits) est d’autant plus grande que le nombre de chocs efficaces par seconde est grand.
b. Effet de la température sur la vitesse

Le mouvement brownien est dû à l’agitation thermique des particules : celles-ci possèdent une énergie de mouvement (et donc une vitesse) grâce à l’énergie thermique contenue dans le système dont elles font partie.

La température est un indicateur macroscopique de ce mouvement : plus elle est élevée et plus la vitesse des particules est grande.

Si la température augmente, la vitesse des particules augmente, ce qui augmente le nombre de chocs efficaces par unité de temps.

La vitesse d’un acte élémentaire augmente lorsque la température augmente.
c. Effet de la concentration des réactifs sur la vitesse

Plus le nombre de réactifs est grand dans un volume fixé, plus la fréquence des chocs (nombre de chocs par unité de temps) va augmenter et donc la fréquence des chocs efficaces va augmenter.

Si la concentration des réactifs augmente, le nombre de chocs par unité de temps augmente, ce qui augmente la fréquence du nombre de chocs efficaces.

La vitesse d’un acte élémentaire augmente lorsque la concentration des réactifs augmente.

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