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Interprétation microscopique des facteurs cinétiques

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Objectif : La vitesse d'une transformation chimique dépend de facteurs cinétiques : la température du milieu réactionnel et la concentration des réactifs. Quels sont les éléments microscopiques qui peuvent expliquer ces différents facteurs cinétiques ?
1. Mouvement des molécules dans les liquides et les gaz
a. Mouvement brownien
En 1827, un physicien écossais, Robert Brown, observe que des particules solides de petite taille (comme par exemple des particules de fumée), ont un mouvement désordonné et incessant.
Ce mouvement est lié aux chocs des particules solides avec les molécules de gaz (ou de liquide) du milieu dans lequel elles se trouvent. Ce mouvement désordonné est appelé mouvement brownien.

b. Mouvement des molécules
Dans les liquides et les gaz, les molécules sont animées d'un mouvement. La vitesse à laquelle ces molécules se déplacent est liée à la température du milieu. On parle alors d'agitation thermique. Dans les liquides et les gaz, les molécules ne disposent pas du même espace.

Dans les liquides, les molécules sont assez proches les unes des autres. La distance séparant les molécules est de l'ordre de 3 fois leur rayon, soit environ 0,3 nm.

Dans les gaz, les molécules sont éloignées les unes des autres. La distance séparant les molécules est de l'ordre de 30 fois leur rayon, soit environ 3 nm.

c. Libre parcours moyen
La distance moyenne parcourue par une molécule entre deux chocs consécutifs est appelée « libre parcours moyen ».

Le libre parcours moyen d'une molécule qui se trouve dans un gaz est supérieur à celui d'une molécule d'un liquide.

En effet, la densité des molécules dans le liquide est bien supérieure à celle dans le gaz : la probabilité pour qu'une molécule en rencontre une autre est donc supérieure dans un liquide que dans un gaz.

d. Collisions efficaces
Une réaction chimique a lieu quand deux réactifs entrent en collision. Le choc permet à des liaisons de se rompre et à d'autres de se former.

Toutes les collisions qui ont lieu dans les fluides ne sont pas efficaces :

  • Certains chocs ont lieu entre un réactif et un produit, ou entre deux produits : le choc ne conduit pas à la formation d'un produit de la réaction.
  • Certains chocs ont lieu entre les deux réactifs qui rebondissent l'un sur l'autre sans qu'il n'y ait de rupture de liaison : le choc est dit élastique.

    Seuls certains chocs sont efficaces et aboutissent à la formation du ou des produits de la transformation chimique.

    La notion d'efficacité est liée à l'énergie du choc : celle-ci est liée à la direction des molécules, leur vitesse (énergie cinétique), leur rayon. L'énergie nécessaire pour que le choc soit efficace est appelée énergie d'activation.

    Plus il y a de chocs dans un fluide, et plus la probabilité pour qu'un choc efficace ait lieu est grande.

2. Interprétation cinétique des facteurs cinétiques
a. Influence de la température
En classe de seconde, nous avons vu que la température traduisait l'agitation des particules (ou molécules) qui le constituaient.
Plus la température d'un corps est élevée, et plus l'agitation des molécules est élevée. La vitesse des molécules est donc plus grande. On parle alors d'agitation thermique.

Plus la température d'un corps est élevée, et plus le nombre de chocs par unité de temps et de volume est élevé.
En effet, si les particules (ou molécules) se déplacent plus vite, le libre parcours moyen reste sensiblement identique mais la durée pour parcourir cette distance est plus faible.

Lorsque la température augmente, la probabilité pour qu'une molécule en choque une autre dans un certain volume et pendant une certaine durée est plus grande.

Si le nombre de chocs augmente, le nombre de chocs efficaces augmente aussi avec la température.

La vitesse de la réaction est donc plus importante quand la température augmente.

b. Influence de la concentration
Plus la concentration en une espèce est élevée, et plus le nombre de molécules ou de particules de cette espèce par unité de volume est élevé.

Plus la concentration en une entité réactive (ou réactif) est élevée, et plus le nombre de chocs par unité de temps et de volume est élevé.

En effet, le libre parcours moyen d'une molécule (ou particule) réactive est plus faible ; la durée entre deux chocs consécutifs est donc plus faible.

Lorsque la concentration augmente, la probabilité pour qu'une molécule en choque une autre dans un certain volume est pendant une certaine durée est plus grande.

Si le nombre de chocs augmente, le nombre de chocs efficaces augmente aussi avec la concentration.

La vitesse de la réaction est donc plus importante quand la concentration en espèce réactive augmente.

L'essentiel

Pour qu'il y ait réaction chimique, il faut que deux espèces réactives se choquent. Tous les chocs ne permettent pas à la réaction chimique d'avoir lieu ; seuls les chocs dits efficaces sont à l'origine de la transformation. Le nombre de chocs efficaces est d'autant plus élevé que la concentration en espèces réactives est élevé, et que la température est élevée.

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