Taux de réaction chimique

Taux de réaction

La vitesse à laquelle se déroule une réaction chimique est définie comme la variation de la concentration du substrat ou du produit au fil du temps. La vitesse d’une réaction chimique est une fonction présentée sous la forme d’une équation de vitesse généralement applicable. Les changements dans la quantité de composants dans une telle équation sont généralement exprimés en concentrations molaires. Veuillez noter que toute autre façon d’exprimer la quantité peut être utilisée, comme la masse, la fraction molaire ou la fraction atomique (rapport). La chimie utilise également un concept plus avancé appelé vitesse instantanée d’une réaction chimique . L’évolution de la réaction peut être visualisée en traçant la relation entre la concentration molaire (sur l’axe des y) et le temps de réaction (sur l’axe des x). Pour la courbe obtenue, une tangente et sa pente sont déterminées, cette dernière correspondant à la vitesse instantanée de la réaction. Une autre valeur qui caractérise également la vitesse d’une réaction chimique est ce qu’on appelle la demi-vie . C’est une valeur qui décrit le comportement des éléments radioactifs dans le temps. La demi-vie est le temps nécessaire pour que la moitié de la quantité initiale de substrat réagisse, ce qui signifie que plus la demi-vie est longue, plus la constante de vitesse k dans l’équation de vitesse d’une réaction chimique est petite. Facteurs affectant la vitesse d’une réaction chimique :

• Concentration du substrat – il a été prouvé expérimentalement à maintes reprises que la vitesse de réaction dépend de manière décisive de la concentration du substrat. Plus sa concentration dans le système est élevée, plus un processus particulier se déroulera rapidement. Cela peut être expliqué en utilisant la théorie des collisions. Selon cette théorie, une condition pour qu’une réaction chimique particulière ait lieu est l’apparition d’une collision réussie (c’est-à-dire une collision avec suffisamment d’énergie) entre des molécules individuelles du substrat. Ainsi, plus il y a de molécules de substrat (plus leur concentration est élevée), plus la probabilité d’une collision est élevée, et donc plus la vitesse de réaction est élevée (il s’agit d’une relation directement proportionnelle).
• Un catalyseur présent dans le système – les catalyseurs sont des substances qui, lorsqu’elles sont ajoutées à un système de réaction, augmentent la vitesse à laquelle se déroule une réaction chimique. Ceci est lié à la réduction de l’énergie d’activation, c’est-à-dire l’énergie nécessaire aux substrats pour surmonter la barrière énergétique de la réaction et former le complexe actif (l’état de transition) avant la formation des produits de réaction proprement dits. La diminution de l’énergie d’activation par le catalyseur signifie que moins d’énergie est nécessaire pour initier la réaction chimique.
• Température et pression – selon la règle de Van’t Hoff, augmenter la température du système réactionnel de 10ᵒC augmente la vitesse de réaction de 2 à 4 fois. Cette relation permet d’estimer la vitesse de réaction si la température augmente, mais elle ne s’applique pas à toutes les réactions et dans des cas exceptionnels elle conduit même à une diminution de la vitesse de réaction ou à des produits indésirables. Pour les réactions impliquant uniquement des substances gazeuses, la pression dans le système joue un rôle clé. Son augmentation signifie que la concentration en substrat est plus élevée, de sorte que les collisions réussies entre les molécules individuelles se produisent plus efficacement et que la vitesse de réaction augmente.
• Degré de finesse – des réactions chimiques impliquant des substrats solides ont lieu à leur surface. Plus la surface de la substance est grande, plus la réaction la impliquant est rapide et efficace. Ainsi, afin d’augmenter au maximum cette surface, les substrats sont soumis à un concassage ou un broyage. Un exemple est la poudre de fer, qui s’oxyde rapidement dans la flamme d’une torche, un effet qui n’est pas observé lors du chauffage d’une tige de fer.
• Mélange – le mélange a un effet similaire sur la vitesse de réaction que sur le degré de finesse. L’initiation du mouvement des molécules dans le système conduit à leur contact plus fréquent et à la formation de produits de réaction. Dans les processus de surface, le mélange facilite le détachement des molécules résultantes, par exemple de la surface du catalyseur, augmentant ainsi l’accès aux centres actifs pour d’autres substrats.

Équation de taux

L’équation de vitesse peut être utilisée pour décrire les relations entre la vitesse d’une réaction chimique et la concentration des substrats. Chaque transformation chimique a une équation de vitesse caractéristique. En termes plus simples, cette relation peut être exprimée comme le produit du coefficient k (appelé constante de vitesse de réaction, valeur constante pour une réaction chimique particulière à une température particulière) et la concentration des substrats. La forme de l’équation de vitesse dépend de l’ordre de réaction :

• Réactions de premier ordre – la vitesse dépend uniquement de la concentration du substrat, élevée à la puissance première.
• Réactions de second ordre – dans ce cas, les deux composants réactifs ou le coefficient stoechiométrique devant un substrat (par exemple dans les réactions de décomposition) doivent être inclus dans l’équation de vitesse. Dans une telle réaction, la vitesse dépendra du produit des concentrations de substrat.

Les exemples fournis ci-dessus sont les plus courants, car la plupart des réactions chimiques sont du premier ou du deuxième ordre. Mais il ne faut pas oublier que des réactions d’un ordre différent, comme l’ordre zéro, où la vitesse de réaction ne dépend pas de la concentration des substrats, sont également possibles. L’équation de vitesse écrite pour une réaction chimique particulière dépend principalement de son mécanisme, c’est-à-dire de la séquence de réactions élémentaires dans lesquelles les molécules subissent des modifications. Dans le cas de processus à mécanisme à plusieurs étapes, la vitesse de la réaction entière est déterminée par son étape la plus lente. Dans une telle situation, il est difficile de déterminer avec précision l’équation du taux, voire même très compliquée. L’équation de vitesse est également liée au concept d’ ordre d’une réaction chimique . L’ordre est défini comme la somme des exposants de l’équation de taux. Il détermine combien de molécules, d’ions ou d’atomes doivent participer à une collision réussie pour qu’une réaction chimique ait lieu.

Impact des catalyseurs sur la vitesse des réactions chimiques

Les catalyseurs sont des substances dont la présence dans un système augmente la vitesse d’une réaction chimique. Surtout, ils ne réagissent pas eux-mêmes aux processus. Avec les substrats, ils forment des complexes dits actifs, beaucoup plus faciles à transformer. Une fois la réaction chimique terminée, le catalyseur est régénéré sous sa forme originale. La tâche principale du catalyseur est de réduire l’énergie d’activation, c’est-à-dire l’énergie qui doit être fournie pour que des collisions réussies entre les substrats impliqués dans la réaction se produisent. On distingue la catalyse homogène (le catalyseur et les réactifs sont dans le même état physique), la catalyse hétérogène (le catalyseur et les réactifs sont dans des états physiques différents – type de catalyse le plus courant, dans laquelle le catalyseur est appelé contact) et l’autocatalyse. (l’un des produits résultants accélère la réaction chimique ultérieure). La catalyse et les catalyseurs sont des aspects extrêmement précieux et importants de la plupart des processus industriels, notamment ceux de l’ industrie chimique . Les catalyseurs sont utilisés dans la plupart des processus technologiques en chimie, par exemple dans la production d’ acide nitrique (V) ou d’acide sulfurique (VI) .