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Quiz : Cinétique Chimique et Facteurs Cinétiques

Quinze questions sur la vitesse d'une transformation, la température, la concentration et le catalyseur, des bases jusqu'aux pièges de copie.

Cet article a été rédigé à des fins pédagogiques. Les informations présentées peuvent évoluer. Nous t’invitons à vérifier auprès de sources officielles.

L'essentiel à connaître

Pour accélérer une transformation chimique, chauffe le mélange ou augmente la concentration des réactifs : ce sont les deux facteurs cinétiques à connaître. Exemple : l'eau de Javel décolore le colorant bleu E133 en quelques minutes à $20\ {}^\circ\text{C}$, et plus vite si elle est plus concentrée ou le mélange plus chaud (eduscol, 2020). Une transformation est rapide si elle semble achevée dès le contact des réactifs, lente si tu peux suivre son évolution.

Un catalyseur accélère une transformation sans changer son état final : consommé puis régénéré, il n'apparaît pas dans l'équation de la réaction. Un fil de platine ou la catalase, une enzyme (catalyseur biologique), accélèrent ainsi la décomposition de l'eau oxygénée (peroxyde d'hydrogène, $\text{H}_2\text{O}_2$).

Pour mesurer une vitesse, suis la concentration d'une espèce avec le bon capteur : spectrophotomètre pour une espèce colorée, conductimètre pour des ions. La vitesse volumique est la pente de la tangente à la courbe de concentration, changée de signe pour un réactif. Elle baisse à mesure que les réactifs s'épuisent et ne dépend pas de la taille du système (programme de terminale, 2019).

Formule : $v_{\text{disp}}(A) = -\dfrac{d[A]}{dt}$ et $v_{\text{app}}(P) = \dfrac{d[P]}{dt}$, en $\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}$. Temps de demi-réaction : $x(t_{1/2}) = \dfrac{x_f}{2}$, où $x$ est l'avancement, en moles, et $x_f$ sa valeur finale ($x_f = x_{\text{max}}$ seulement si la transformation est totale). Loi de vitesse d'ordre 1 : $v_{\text{disp}}(A) = k\,[A]$.

À l'échelle des entités (molécules, ions), une transformation suit un mécanisme réactionnel, une suite d'étapes appelées actes élémentaires. Une concentration plus élevée rend les chocs entre entités plus fréquents ; une température plus élevée, plus fréquents et plus souvent efficaces (suivis d'une transformation).

Piège classique : dans un mécanisme, le catalyseur et l'intermédiaire réactionnel apparaissent puis disparaissent tous les deux. Le catalyseur est introduit au départ ; l'intermédiaire ne l'est jamais : il est formé puis consommé.

Quiz : teste tes connaissances

Les questions montent en difficulté : les trois dernières sont les plus piégeuses.

Question 1 : Tu veux qu'une transformation chimique aille plus vite. Quel geste choisis-tu ?

A. Refroidir le mélange dans de la glace
B. Ajouter de l'eau au mélange
C. Chauffer le mélange au bain-marie
D. Ajouter un peu de produit au mélange

Réponse : C. La température est un facteur cinétique : plus elle est élevée, plus la transformation va vite. L'eau fait l'inverse : elle dilue les réactifs.

Question 2 : Une solution de nitrate d'argent versée dans de l'eau salée donne aussitôt un précipité blanc. Comment classer cette transformation, et pourquoi ?

A. rapide : achevée dès le contact des réactifs
B. lente : le précipité se voit à l'œil nu
C. lente : le précipité tombe peu à peu
D. rapide : elle forme un solide, pas un gaz

Réponse : A. Le précipité est là dès le mélange : aucune évolution à suivre, donc rapide. Être visible ne la rend pas lente : il faudrait la voir progresser.

Question 3 : Le temps de demi-réaction $t_{1/2}$ est la durée au bout de laquelle :

A. la moitié de la durée totale s'est écoulée
B. la vitesse volumique a diminué de moitié
C. la moitié du réactif en excès est consommée
D. l'avancement vaut la moitié de sa valeur finale

Réponse : D. C'est la définition : $x(t_{1/2}) = \dfrac{x_f}{2}$. Ce n'est pas la moitié de la durée : la transformation ralentit, donc la seconde moitié de l'avancement prend plus de temps.

Question 4 : Quelle phrase sur un catalyseur est juste ?

A. Il permet d'obtenir davantage de produit
B. Il accélère la transformation sans changer l'état final
C. Il est consommé peu à peu, comme un réactif
D. Il apporte au mélange l'énergie qui lui manque

Réponse : B. Tu obtiens le même état final, mais plus vite. Régénéré à la fin, le catalyseur n'apparaît même pas dans l'équation : il ne donne pas plus de produit.

Question 5 : Pourquoi une concentration plus élevée des réactifs accélère-t-elle une transformation ?

A. Les entités réactives se déplacent plus vite
B. Les chocs entre entités réactives sont plus fréquents
C. Chaque choc a plus de chances d'être efficace
D. Le mélange réactionnel s'échauffe davantage

Réponse : B. Plus il y a d'entités dans un même volume, plus elles se rencontrent souvent. Aller plus vite, réussir plus souvent un choc : c'est l'effet de la température.

Question 6 : Pourquoi la vitesse de disparition d'un réactif diminue-t-elle au cours du temps ?

A. Le catalyseur s'use au fil du temps
B. La température du mélange baisse
C. Les produits formés gênent les chocs
D. La concentration du réactif diminue

Réponse : D. Le réactif est consommé : sa concentration baisse, les chocs efficaces se raréfient. Le catalyseur, lui, ne s'use pas : il est régénéré.

Question 7 : Pour suivre la décoloration du colorant E133 par l'eau de Javel, quel appareil choisis-tu ?

A. Un spectrophotomètre
B. Un conductimètre
C. Un pH-mètre
D. Un capteur de pression

Réponse : A. Le colorant est l'espèce colorée : son absorbance est proportionnelle à sa concentration (loi de Beer-Lambert, vue en première). Le conductimètre suit les ions, mais ici c'est la couleur qui change.

Question 8 : Pourquoi chauffer le mélange accélère-t-il une transformation ?

A. Chocs plus fréquents, mais pas plus efficaces
B. Entités réactives plus nombreuses par litre
C. Chocs plus fréquents et plus souvent efficaces
D. Chocs plus efficaces, mais pas plus fréquents

Réponse : C. Plus agitées, les entités se rencontrent plus souvent, et une plus grande part des chocs aboutit. Dire seulement « plus fréquents » oublie l'efficacité des chocs.

Question 9 : La tangente à la courbe $[A] = f(t)$ en $t = 0$ passe par $(0\ \text{min}\,;\,0{,}040\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1})$ et $(2{,}0\ \text{min}\,;\,0{,}010\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1})$ (données fictives). Que vaut la vitesse initiale de disparition de A, en $\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}$ ?

A. $-2{,}5\times10^{-4}$
B. $1{,}5\times10^{-2}$
C. $9{,}0\times10^{-1}$
D. $2{,}5\times10^{-4}$

Réponse : D. Pente : $\dfrac{0{,}010-0{,}040}{2{,}0} = -0{,}015\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{min}^{-1}$, soit $-2{,}5\times10^{-4}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}$ (divisé par $60$). La vitesse de disparition en est l'opposé, donc positive : A oublie le signe, B la conversion des minutes, C multiplie par $60$ au lieu de diviser.

Question 10 : Dans de l'eau oxygénée, aucune bulle. Avec un fil de platine, du dioxygène se dégage ; le fil retiré, intact, les bulles cessent. Le platine est :

A. un réactif : sans lui, rien ne se passe
B. un catalyseur : il accélère et reste intact
C. un intermédiaire réactionnel : il agit en cours de route
D. un produit : le gaz se forme sur lui

Réponse : B. Le platine accélère la décomposition et ressort inchangé : c'est un catalyseur. Ce n'est pas un réactif : sans lui, la décomposition a lieu quand même, trop lentement pour se voir.

Question 11 : Quel graphe valide une loi de vitesse d'ordre 1 pour le réactif A ?

A. $v_{\text{disp}}(A) = f([A])$ : droite passant par l'origine
B. $[A] = f(t)$ : droite décroissante
C. $v_{\text{disp}}(A) = f(t)$ : droite décroissante
D. $v_{\text{disp}}(A) = f([A])$ : droite horizontale

Réponse : A. L'ordre 1 s'écrit $v_{\text{disp}}(A) = k\,[A]$ : vitesse proportionnelle à $[A]$, donc droite passant par l'origine, de pente $k$. Si $[A]$ décroît en ligne droite, la vitesse est constante : ce n'est pas l'ordre 1.

Question 12 : Tu ajoutes de l'eau, à la même température, à un mélange en cours de transformation. Celle-ci :

A. accélère : l'eau multiplie les chocs
B. garde sa vitesse : les quantités de réactifs n'ont pas changé
C. ralentit : les concentrations des réactifs baissent
D. s'arrête net : l'eau sépare les réactifs

Réponse : C. Les mêmes quantités occupent un plus grand volume : les concentrations baissent, les chocs se raréfient. Le facteur cinétique, c'est la concentration, pas la quantité de matière.

Question 13 : Même transformation, mêmes concentrations initiales, même température, dans $50\ \text{mL}$ puis dans $500\ \text{mL}$. La vitesse volumique initiale de disparition du réactif est :

A. dix fois plus grande dans $500\ \text{mL}$
B. dix fois plus petite dans $500\ \text{mL}$
C. la même, et la transformation dure autant
D. la même, mais la transformation dure dix fois plus

Réponse : C. La vitesse volumique dépend des concentrations, pas de la taille du système : tout évolue pareil dans les deux récipients. Dix fois plus de réactif, mais dans dix fois plus de volume.

Question 14 : Pour une transformation non totale, $x_{\text{max}} = 8{,}0\ \text{mmol}$ et $x_f = 6{,}0\ \text{mmol}$. L'avancement vaut $3{,}0\ \text{mmol}$ à $40\ \text{s}$, $4{,}0\ \text{mmol}$ à $70\ \text{s}$, et atteint $x_f$ vers $400\ \text{s}$ (données fictives). Que vaut $t_{1/2}$ ?

A. $40\ \text{s}$
B. $70\ \text{s}$
C. $200\ \text{s}$
D. $400\ \text{s}$

Réponse : A. On vise la moitié de l'avancement final : $\dfrac{x_f}{2} = 3{,}0\ \text{mmol}$, atteint à $40\ \text{s}$. Viser $\dfrac{x_{\text{max}}}{2} = 4{,}0\ \text{mmol}$ ne vaut que pour une transformation totale, où $x_f = x_{\text{max}}$.

Question 15 : Avec des ions iodure, l'eau oxygénée se décompose en deux actes élémentaires : $\text{H}_2\text{O}_2 + \text{I}^- \rightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{IO}^-$, puis $\text{H}_2\text{O}_2 + \text{IO}^- \rightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{O}_2 + \text{I}^-$. Quels rôles jouent $\text{I}^-$ et $\text{IO}^-$ ?

A. $\text{I}^-$ intermédiaire réactionnel, $\text{IO}^-$ catalyseur
B. $\text{I}^-$ réactif, $\text{IO}^-$ produit
C. $\text{I}^-$ catalyseur, $\text{IO}^-$ produit
D. $\text{I}^-$ catalyseur, $\text{IO}^-$ intermédiaire réactionnel

Réponse : D. $\text{I}^-$ est introduit au départ, consommé puis régénéré : c'est le catalyseur. $\text{IO}^-$ n'est jamais introduit : formé puis consommé, c'est un intermédiaire réactionnel. Les deux apparaissent puis disparaissent : seul le départ les distingue, d'où le piège de l'inversion.

Sources

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