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Facteurs cinétiques et catalyseurs

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Objectifs

Distinguer une réaction chimique rapide d’une réaction chimique lente.
Mettre en évidence des facteurs cinétiques et l’effet d’un catalyseur.
Déterminer la durée d’une réaction rapide.

Points clés

Une transformation chimique est rapide si elle semble achevée dès la mise en contact des réactifs.
Une transformation chimique est lente si sa durée est comprise entre quelques secondes et plusieurs minutes.
Les facteurs cinétiques tels que la température ou la concentration des réactifs influent sur la rapidité de la transformation chimique.
La durée d’une transformation chimique diminue lorsque la température est plus élevée et la concentration des réactifs est plus grande.
Un catalyseur est une espèce chimique qui accélère une transformation chimique lente mais qui n’apparait pas dans l’équation de la réaction chimique.

Pour bien comprendre

Réaction chimique : réactifs et produits
Équation de la réaction chimique

1. La rapidité d'une réaction chimique

a. Les réactions rapides et les réactions lentes

La durée de la réaction correspond à la durée écoulée entre le temps de la mise en présence des réactifs et celui où les quantités de matière (ou les concentrations) des réactifs et des produits n’évoluent plus.

On distingue deux types de réactions chimiques en fonction de leur évolution temporelle : les réactions rapide et les réaction lentes.

Les réactions rapides semblent achevées dès la mise en contact des réactifs. La durée de la réaction est trop petite pour que l’évolution soit suivie à l’œil nu.
La durée des réactions lentes peut varier de quelques secondes à plusieurs minutes. Ces réactions peuvent être suivies à l’aide d’appareils de mesure (spectrophotomètre, pressiomètre, etc.).

Exemples

La réaction entre l’ion permanganate (couleur violette) et l’ion fer II (incolore) est rapide. La couleur violette due à l’ion permanganate disparait dès sa mise en contact avec l’ion fer II : la réaction semble instantanée.
La réaction entre l’ion permanganate (couleur violette) et l’acide oxalique (incolore) est lente. La couleur violette due à l’ion permanganate persiste au début, après la mise en contact avec l’ion fer II, puis disparait progressivement au cours du temps.

b. La durée d'une réaction lente

On peut estimer la durée d’une réaction lente à partir des courbes de l’évolution des quantités de matière des réactifs ou des produits.
La réaction s’achève en effet lorsque l’un des deux réactifs est totalement consommé (appelé le réactif limitant) : sa quantité de matière est alors égale à zéro mole. Les quantités de matière des produits formés et du réactif en excès n’évoluent plus au cours du temps.

Une lecture graphique permet de déterminer la durée de la réaction, à partir des courbes des quantités de matière en fonction du temps.

Courbes d’évolution temporelle des quantités de matière

Remarque
On peut aussi déterminer la durée de la réaction à partir des courbes d’évolution temporelle des concentrations des réactifs et des produits.

2. Les facteurs cinétiques

Un facteur cinétique est une grandeur caractéristique du système chimique, dont la variation a une influence sur la rapidité de la réaction.

Les facteurs cinétiques tels que la température ou la concentration des réactifs influent sur la rapidité de la transformation chimique.

a. La température du système chimique - Exemple

On réalise la transformation chimique au cours de laquelle l’acide oxalique H₂C₂O₄ réagit avec l’ion permanganate MnO. L’acide oxalique est incolore et l’ion permanganate est violet. Cette réaction est lente.

L’équation de la réaction chimique est la suivante.

Les réactifs sont l’ion permanganate et l’acide oxalique, tandis que les produits sont l’ion manganèse et le dioxyde de carbone.

Remarque
La présence de l’ion hydrogène dans l’équation signifie que la réaction doit s’effectuer en milieu acide. Il est toujours présent en excès afin de ne pas limiter la réaction. La réaction se faisant en solution aqueuse, l’eau est en excès car il s’agit du solvant. Ces deux entités ne sont pas prises en compte pour étudier l’évolution temporelle de la réaction.

On obtient les courbes d’évolution des concentrations des réactifs et des produits au cours du temps, ce qui permet de déterminer la durée de la réaction Δt_réaction.

Évolution temporelle des concentrations
au cours de la réaction

Pour un même système chimique initial, c’est-à-dire que les quantités de matière initiales des entités chimiques présentes sont les mêmes, on réalise la réaction à des températures différentes.

On trace sur un même graphique les courbes de l’évolution temporelle de la concentration de l’ion permanganate, pour les différentes expériences à des températures différentes.

Évolution temporelle de la concentration
en ion permanganate

On constate que la durée de la réaction est une fonction décroissante de la température à laquelle s’effectue la réaction chimique.

Remarque
Cette étude aurait pu aussi se faire avec la concentration de l’autre réactif (acide oxalique) ou des produits (ion manganèse ou dioxyde de carbone).

La température est un facteur cinétique : la réaction est d’autant plus rapide que la température est élevée.

b. La concentration initiale des réactifs - Exemple

Le tableau suivant indique les concentrations initiales des réactifs pour trois expériences.

	Expérience 1	Expérience 2	Expérience 3
[MnO]_initial (en mol·L^–¹)	1,0 × 10^–³	2,0 × 10^–³	3,0 × 10^–³
[H₂C₂O₄]_initial (en mol·L^–¹)	1,0 × 10^–²	1,0 × 10^–²	1,0 × 10^–²

Remarques

La température est fixée à la même valeur pour les trois expériences.
La concentration initiale en acide oxalique est la même dans les trois expériences car on ne fait varier qu’un seul paramètre : on étudie uniquement l’effet de la concentration initiale en ion permanganate.

On trace les courbes de l’évolution temporelle de la concentration de l’ion permanganate sur un même graphique, pour les différentes expériences à des concentrations initiales différentes.

Évolution temporelle de la concentration
en ion permanganate

On constate que la durée de la réaction est une fonction décroissante de la concentration initiale en ion permanganate.

Remarque
Cette étude aurait pu aussi se faire avec la concentration initiale de l’autre réactif (acide oxalique).

La concentration initiale des réactifs est un facteur cinétique : la réaction est d’autant plus rapide que la concentration initiale des réactifs est grande.

c. Autres facteurs cinétiques

Il existe d’autres facteurs cinétiques qui peuvent influer sur la rapidité d’une réaction chimique : les radiations lumineuses et le solvant utilisé.

Les radiations lumineuses, infrarouges ou ultraviolettes

Les radiations lumineuses, infrarouges ou ultraviolettes jouent un rôle dans les réactions photochimiques.

Une réaction photochimique est une réaction dans laquelle les radiations sont absorbées par les espèces chimiques réactives, ce qui leur permet de pouvoir réagir.

Un flux radiatif intense permet d’accélérer la réaction.

Exemple
On étudie la réaction entre le dihydrogène H₂ et le dichlore Cl₂.

H₂ (g) + Cl₂ (g) → 2 HCl (g)

Cette réaction est catalysée par un rayonnement UV intense.

Évolution avant et après une irradiation au rayonnement UV

On constate un emballement de la réaction chimique au moment de l’irradiation par le rayonnement UV.

Le solvant utilisé

Le solvant est le liquide dans lequel les réactifs se trouvent dissous.

La rapidité de la réaction peut être plus ou moins grande en fonction du solvant choisi.

3. L'effet d'un catalyseur

Un catalyseur est une entité chimique qui a pour effet d’accélérer une réaction chimique. On dit qu’un catalyseur permet la catalyse d’une réaction chimique.

Un catalyseur est consommé au cours de la réaction puis il est reformé dans les mêmes quantités. La formule du catalyseur n’apparait donc pas dans l’équation de la réaction chimique.

Exemple
La réaction entre un alcool (de formule générale R–OH) et un acide carboxylique (de formule générale R’–CO₂H) donne comme produits un ester (de formule générale R–CO₂–R’) et de l’eau. Cette réaction peut être catalysée par l’acide sulfurique de formule H₂SO₄.

Évolution temporelle de la quantité de réactif limitant

L’équation de cette réaction est la suivante.

R–OH (aq) + R'–CO₂H (aq) → R–CO₂–R' (l) + H₂O (l)

La formule de l’acide sulfurique n’apparait pas dans l’écriture de l’équation chimique.

Un catalyseur est une espèce chimique qui va réagir avec les réactifs afin d’accélérer la formation des produits, tandis que les facteurs cinétiques sont des grandeurs caractéristiques du système chimique (concentration des réactifs, température, etc.).