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

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.

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

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.

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

La vitesse volumique de disparition d’un réactif v_Réactif 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·L–1·s–1 [R] la concentration en quantité de matière du réactif, en mol·L–1 t en seconde (s)

La vitesse volumique d’apparition d’un produit v_Produit 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·L–1·s–1 [P] la concentration en quantité de matière du réactif, en mol·L–1 t en seconde (s)

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.

v_A = k_A × [A] ; v_B = k_B× [B] ; v_C = k_C × [C] ; v_D = k_D × [D]

Avec les vitesses en mol·L^–1·s^–1, les concentrations en mol·L^–1 et les constantes k_i (i = A, B, C et D) en s^–1.

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.

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.