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 ?
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 ?
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 :
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 ?
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 ?
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 ?
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 ?
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 ?
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 $\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}$ ?
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 :
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 ?
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 :
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 :
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 $t_{1/2}$ ?
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 $\text{IO}^-$ ?
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
- Programme de physique-chimie de terminale générale, Bulletin officiel spécial n° 8 du 25 juillet 2019.
- Modéliser l'évolution temporelle d'un système, siège d'une transformation chimique, ressource eduscol, juin 2020.