⚗ Spécialité Physique-Chimie · Chimie Terminale Générale · Chapitre 4

Cinétique chimique

Transformations lentes et rapides, vitesses volumiques de disparition et d'apparition, facteurs cinétiques, loi de vitesse d'ordre 1, temps de demi-réaction, mécanisme réactionnel et catalyse.

1. Vitesse d'une transformation

Définition

La vitesse volumique de disparition d'un réactif A est $v_d = -\dfrac{d[\text{A}]}{dt}$ ; celle d'apparition d'un produit B est $v_a = \dfrac{d[\text{B}]}{dt}$ (mol·L?¹·s?¹). Graphiquement, c'est la pente (au signe près) de la tangente à la courbe de concentration.

Propriété · Facteurs cinétiques

Une transformation est d'autant plus rapide que la température est élevée et que les concentrations des réactifs sont grandes. Un catalyseur l'accélère sans être consommé ni modifier l'état final.

2. Loi de vitesse d'ordre 1

Propriété

Une réaction suit une loi de vitesse d'ordre 1 par rapport à A si $v = k[\text{A}]$. Alors $\dfrac{d[\text{A}]}{dt} = -k[\text{A}]$ et $$[\text{A}](t) = [\text{A}]_0\,e^{-kt}$$ Le temps de demi-réaction (durée pour que l'avancement atteigne la moitié de sa valeur finale) vaut alors $t_{1/2} = \dfrac{\ln 2}{k}$, indépendant de la concentration initiale.

204060801001200,020,040,060,080,10t (s)[A] (mol/L)t½tangente à t = 0
Disparition d'un réactif selon une loi d'ordre 1 : la vitesse (opposée de la pente de la tangente) diminue ; t½ est la durée pour que [A] soit divisée par 2.

Expérience · Suivre une réaction par spectrophotométrie

Matérielspectrophotomètre réglé à $470$ nm, solution d'iodure de potassium, eau oxygénée acidifiée, chronomètre.
ProtocoleOn mélange les réactifs dans la cuve et on relève l'absorbance toutes les $15$ s. Seul le diiode formé, brun-jaune, absorbe à cette longueur d'onde.
ObservationL'absorbance croît rapidement puis de plus en plus lentement jusqu'à $A_\infty = 1{,}20$ ; elle vaut $0{,}60$ au bout de $90$ s.
Interprétation$A$ est proportionnelle à $[\text{I}_2]$, donc à l'avancement : $t_{1/2} \approx 90$ s. La vitesse d'apparition du diiode diminue au cours du temps car les réactifs se raréfient.

3. Mécanisme et catalyse

Définition

Une réaction se fait en général en plusieurs actes élémentaires (mécanisme réactionnel). Des intermédiaires réactionnels sont formés puis consommés ; un catalyseur est consommé puis régénéré. La catalyse est homogène (même phase que les réactifs), hétérogène (phases différentes, pot catalytique) ou enzymatique (enzymes du vivant, très efficaces et sélectives).

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Exercices corrigés

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1

Facteurs cinétiques

★☆☆

Pourquoi utilise-t-on une cocotte-minute pour cuire plus vite les aliments ?

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2

Temps de demi-réaction

★★☆

Une réaction d'ordre 1 a une constante $k = 0{,}023$ min$^{-1}$. Calculer $t_{1/2}$.

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3

Concentration résiduelle

★★★

Avec la réaction précédente et $[\text{R}]_0 = 0{,}10$ mol/L, calculer $[\text{R}]$ au bout de $90$ min.

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4

Lente ou rapide

★☆☆

Classer en transformation lente ou rapide : précipitation du chlorure d'argent, rouille du fer, combustion du gaz, fermentation du jus de raisin.

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5

Vitesse moyenne de disparition

★★☆

$[\text{A}]$ passe de $0{,}10$ à $0{,}06$ mol/L en $20$ s. Vitesse moyenne de disparition ?

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6

Vitesses et stœchiométrie

★☆☆

Pour $2\,\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$, comparer la vitesse de disparition de $\text{H}_2\text{O}_2$ et la vitesse d'apparition de $\text{O}_2$.

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7

Vitesse et tangente

★★☆

Sur la figure du cours, la tangente à l'origine passe par $(0\,;\,0{,}10)$ et $(40\,;\,0{,}0076)$. Vitesse initiale de disparition ?

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8

Évolution de la vitesse

★☆☆

Pourquoi la vitesse de disparition d'un réactif diminue-t-elle généralement au cours du temps ?

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9

Reconnaître l'ordre 1

★★☆

Montrer que, pour une loi d'ordre 1, $\ln[\text{A}]$ est une fonction affine du temps.

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10

Calculer k

★★☆

Une réaction d'ordre 1 a un temps de demi-réaction de $40$ s. Calculer $k$.

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11

Après trois demi-réactions

★☆☆

Ordre 1 : quelle fraction de $[\text{A}]_0$ reste-t-il après $3t_{1/2}$ ?

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12

Réfrigérateur

★★☆

Pourquoi conserve-t-on les aliments au réfrigérateur ?

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13

Définir un catalyseur

★☆☆

Qu'est-ce qu'un catalyseur ? Modifie-t-il l'état final ?

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14

Catalyse enzymatique

★★☆

L'eau oxygénée mousse sur une plaie mais pas sur la peau saine. Expliquer.

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15

Analyser un mécanisme

★★☆

Mécanisme : (1) $\text{H}_2\text{O}_2 + \text{I}^- \rightarrow \text{IO}^- + \text{H}_2\text{O}$ ; (2) $\text{H}_2\text{O}_2 + \text{IO}^- \rightarrow \text{I}^- + \text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$. Bilan ? Rôle de $\text{I}^-$ et de $\text{IO}^-$ ?

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16

Exploiter le suivi spectrophotométrique

★★☆

Dans l'expérience, l'avancement final vaut $1{,}0 \times 10^{-4}$ mol. Quel est l'avancement à $t = 90$ s ? Comment déterminer $t_{1/2}$ sur la courbe $A(t)$ ?

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17

Trempe

★☆☆

Pour analyser un prélèvement, on le verse dans de l'eau glacée. Pourquoi ?

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18

Vérifier une loi d'ordre 1

★★★

Mesures : $t$ (s) $= 0$ ; $10$ ; $20$ ; $30$ et $[\text{A}]$ (mol/L) $= 0{,}080$ ; $0{,}057$ ; $0{,}040$ ; $0{,}028$. La loi est-elle d'ordre 1 ? Estimer $k$.

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19

Pot catalytique

★☆☆

Quel type de catalyse a lieu dans le pot catalytique d'une voiture ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) Un catalyseur augmente le rendement. b) Pour l'ordre 1, $t_{1/2}$ ne dépend pas de $[\text{A}]_0$. c) Augmenter la température accélère en général une réaction.

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