Fiche de Révision : Formules et Concepts en Cinétique Chimique

Introduction à la cinétique chimique

La cinétique chimique étudie la vitesse à laquelle les réactions chimiques se produisent, ainsi que les mécanismes et facteurs qui influencent cette vitesse. Cette branche de la chimie est essentielle pour comprendre comment optimiser des réactions dans l’industrie, la biologie, et la recherche.

La cinétique chimique correspond à l’étude de la vitesse de réaction et des conditions qui la modifient.

1. Vitesse de réaction

Définition

La vitesse de réaction est la variation de la concentration d’un réactif ou d’un produit par unité de temps.

Vitesse de réaction : Variation de concentration par unité de temps, exprimée souvent en mol·L⁻¹·s⁻¹.

Formule générale

Pour une réaction générique : [Formule mathématique]

On définit la vitesse comme :

[Formule mathématique]

• Le signe négatif indique la disparition des réactifs.
• Les concentrations sont en mol·L⁻¹.
• [Formule] est le temps en secondes (s) ou minutes (min).

Exemple

Pour la réaction : [Formule], la vitesse se calcule par exemple sur [Formule] :

[Formule mathématique]

2. Loi de vitesse et ordre de réaction

Loi de vitesse

La loi de vitesse relie la vitesse de réaction aux concentrations des réactifs :

[Formule mathématique]

• [Formule] : constante de vitesse (dépend de la température).
• [Formule] : ordres partiels de la réaction par rapport à [Formule] et [Formule].
• [Formule] : ordre global de la réaction.

Constante de vitesse [Formule] ne dépend que de la température.

Les ordres de réaction

• Ordre 0 : vitesse indépendante de la concentration, [Formule].
• Ordre 1 : vitesse proportionnelle à la concentration, [Formule].
• Ordre 2 : vitesse proportionnelle au carré de la concentration, [Formule].

Exemple

Pour une réaction d’ordre 1 :

[Formule mathématique]

3. Constante de vitesse et Arrhenius

Définition

La constante de vitesse [Formule] varie avec la température suivant la loi d’Arrhenius :

[Formule mathématique]

• [Formule] : facteur pré-exponentiel (fréquence des collisions efficaces).
• [Formule] : énergie d'activation (J·mol⁻¹).
• [Formule] : constante des gaz parfaits, [Formule].
• [Formule] : température absolue (K).

4. Temps de demi-réaction ([Formule])

Correspond au temps nécessaire pour que la concentration du réactif diminue de moitié.

• Pour une réaction d’ordre 1, [Formule] est constant (indépendant de la concentration initiale).
• Pour ordre 2, [Formule] dépend de [Formule].

5. Intégration des lois cinétiques

Ordre 1

Pour une réaction :

[Formule mathématique]

La vitesse est :

[Formule mathématique]

En intégrant on obtient :

[Formule mathématique]

Autrement dit,

[Formule mathématique]

Ordre 2 (monophasique)

[Formule mathématique]

On a :

[Formule mathématique]

Ordre 0

[Formule mathématique]

6. Mécanisme de réaction et réaction élémentaire

Une réaction globale peut être décomposée en étapes élémentaires, chacune ayant sa propre vitesse.

Une réaction élémentaire est une étape individuelle dont la vitesse correspond à la loi de vitesse réelle pour cette étape.

Le mécanisme peut inclure une étape limitante (la plus lente) qui détermine la vitesse globale.

7. Facteurs influençant la vitesse de réaction

• Concentration des réactifs : plus la concentration est élevée, plus la fréquence des collisions augmente.
• Température : augmentation de [Formule] augmente [Formule] selon Arrhenius.
• Catalyseur : abaisse l’énergie d’activation [Formule], augmentant la vitesse sans être consommé.
• Surface de contact : pour les réactions hétérogènes, une plus grande surface favorise les collisions.
• Pression (pour les gaz) : une pression plus forte augmente la concentration moléculaire.

8. Exemple complet

Réaction : [Formule]

Équation de vitesse expérimentale :

[Formule mathématique]

• Ordre total : [Formule]
• Constante [Formule] dépend de la température.

Si [Formule] et [Formule], avec [Formule] :

[Formule mathématique]

9. Diagramme Mermaid : Processus d’étude d’une réaction chimique en cinétique

[Diagramme]

Ce diagramme schématise la démarche expérimentale habituelle en cinétique chimique.

Synthèse des points essentiels

• La vitesse de réaction mesure la variation de concentration par unité de temps.
• Elle dépend des concentrations des réactifs conformément à la loi de vitesse.
• L'ordre de réaction permet de comprendre quantitativement l'influence des réactifs sur la vitesse.
• La constante de vitesse [Formule] suit la loi d’Arrhenius, fonction de la température et de l’énergie d’activation.
• Les temps de demi-réaction permettent de caractériser la cinétique de déplétion des réactifs.
• La compréhension des mécanismes et la notion d’étape limitante sont fondamentales pour relier vitesse et mécanisme.
• Les facteurs externes comme la concentration, la température, et les catalyseurs modifient la vitesse.

Cette fiche vous donne les bases mathématiques et conceptuelles nécessaires pour aborder la cinétique chimique au niveau intermédiaire. N’hésitez pas à pratiquer sur des exemples variés et à expérimenter la résolution d’équations différentielles simples relatives aux cinétiques d’ordre 0, 1 ou 2.