Définitions

Comment comprendre la cinétique chimique ?
La chimie est une science rigoureuse qui demande d'étudier des notions pour en comprendre d'autres plus complexes.

Un réactif est dit limitant s'il est entièrement consommé lors d'une réaction chimique. Il s'agit donc du réactif dont la disparition totale empêche la poursuite de la réaction chimique.
Un réactif est en excès s'il n'est pas entièrement consommé lorsque la réaction s'arrête et que l'autre réactif a totalement disparu.

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Repérer le réactif limitant et le réactif en excès

Pour distinguer le réactif limitant et le réactif en excès il suffit de faire dans un premier temps l'hypothèse que A est le réactif limitant ( il disparaît entièrement ) donc à l'état final ( lorsque x=xmax) : nA = 0
ce qui signifie qui signifie aussi que

    \[ n \times A \times i - a \times x _ { \text { max } } = 0 \]

donc dans cette hypothèse

    \[ x _ { \text { max } } = \frac { n \times A \times i } { a } \]

De la même manière si l'on fait l'hypothèse que B est le réactif limitant alors on obtient:

    \[ x _ { \text { max } } = \frac { n \times B \times i } { b } \]

Le vrai réactif limitant est celui qui conduit à l'avancement le plus faible ce qui signifie que:
- Si

    \[ \frac { n \times A \times i } { a } < \frac { n \times B \times i } { b } \]

alors le réactif limitant est A et le réactif en excès est B
- Si

    \[ \frac { n \times A \times i } { a } > \frac { n \times B \times i } { b } \]

alors e réactif limitant est B et le réactif en excès est A

En résumé

Comment conclure un TP ?
Voici la phrase la plus importante de tout le cours !

Le réactif limitant est celui dont le rapport de la quantité de matière par son coefficient stœchiométrique est le plus faible.
Le réactif en excès est celui dont le rapport de la quantité de matière par son coefficient stœchiométrique est le plus élevé.

Réactions totales et partielles

Avancement final d'une réaction

Définition

Considérons la réaction chimique dont l'équation est: aA + bB  cC + dD où A et B sont les réactifs, C et D les produits et a, b, c et d sont les nombres stoéchiométriques. Les notations utilisées dans la suite sont résumées ci-dessous:

  • x : avancement de la réaction ;
  • n(A)0 : quantité de matière initiale de A ;
  • n(A) : quantité de matière de A à la date t ;
  • n(A)f : quantité de matière finale de A.

Voici un exemple de tableau d'avancement :

Équation de la réactionaA+bB=cC+dD
Etat initial (mol)n(A)0+n(B)0=n(C)0=0+n(D)0=0
Etat à l'instant T (mol)n(A)=n(A)0-axt+n(B)=n(B)0-bxt=n(C)=cxt+n(D)=dxt
Etat à la fin de la réaction (mol)n(A)f=n(A)0-axf+n(B)f=n(B)0-bxf=n(C)f=cxf+n(D)f=dxf
Il en est de même pour les autres espèces. L'avancement final est un avancement qui est réellement observé, atteint. Mais l'avancement maximal correspond également à l'avancement atteint lorsqu'un réactif est entièrement consommé. (avancement théorique observable).

Taux d'avancement τ

    \[ \tau = \frac { x _ { f } } { x _ { \text { max } } } \]

  • Si τ ≤ 1 => si τ = 1  xf = xmax alors on est en présence d'une réaction totale
  • τ < 1 , xf  ≠ xmax alors on est en présence d'une réaction partielle qui s'arrête lorsqu'elle atteint l'équilibre chimique.

Relation entre l'avancement et la concentration molaire volumique

Si on ne prend en compte que le cas particulier d'une réaction ayant lieu en solution aqueuse telle que le volume V de la solution soit constant, alors on peut utiliser l'expression suivante : [ [X] = frac {n(X)} {V} ] Avec :

  • [X] représentant la concentration molaire (en mol.L-1) ;
  • n(X) représentant la quantité de matière de l'espèce X en solution (en mol) ;
  • V représentant le volume de la solution (en L).

D'après ce qui précède, en divisant tous les termes de la relation de définition de l'avancement par V :

    \[ \frac { x } { V } = \frac { \left[ A \right] _ { 0 } - \left[ A \right] } { a } = \frac { \left[ B \right] _ { 0 } - \left[ B \right] } { b } = \frac { \left[ C \right] } { c } = \frac { \left[ D \right] } { d } \]

Vitesse volumique de réaction

Définition

On peut définir la vitesse volumique de réaction avec l'aide de l'expression suivante :

    \[ v = \frac { a b } { c d } \times \frac { \text { d } x } { \text { d } t } \]

Avec :

  • v représentant la vitesse volumique de réaction (en mol.m-3.s-1) ;
  • V représentant le volume de la solution (en m3) ;
  • dx représentant la variation de l'avancement (en mol) ;
  • dt représentant la durée de la variation (en s).

Remarques :

  • Il arrive fréquemment que le volume V soit exprimé en litre. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.s-1 ;
  • Si la transformation est lente ou très lente la durée peut être exprimée en minute ou en heure. La vitesse de réaction est alors exprimée en mol.L-1.min-1 ou en mol.L-1.h-1 ;
  • Le rapport dx/dt représente la dérivée par rapport au temps de l'avancement.

Déterminer la vitesse de réaction

Comment réussir une graphique logarithmique ?
On ne vous le dira jamais assez mais tout graphique présent dans une copie doit être propre, titré et légendé !

Ce qu'il faut connaître pour déterminer v

D'après la relation de définition , il faut connaître V et la fonction x=f(t). Cette fonction peut être connue soit:

  • Par son graphe (il est donné dans certains exercices) ;
  • Par un tableau de mesures présentant les valeurs des couples {ti ; xi} (il est donné dans certains exercices) ;
  • A l'aide du tableau d'avancement de la réaction. Il faut alors connaître, soit par une méthode chimique soit par une méthode physique, l'évolution de la concentration de l'un des réactifs ou de l'un des produits de la transformation. Etudier les deux TP de cinétique chimique.

Méthodes

  • Graphiquement : On trace la tangente à la courbe x=f(t) à la date t choisie. La valeur du rapport dx/dt est égal au coefficient directeur de cette tangente ;
  • On divise alors cette valeur par la valeur de V (volume de la solution) ;
  • Par le calcul: Un tableur calcule directement la vitesse v à partir des valeurs de V, ti et xi.

Evolution de la vitesse de réaction au cours du temps

Au cours du temps les réactifs disparaissent donc leur concentration diminue. Or nous avons déjà vu que la concentration des réactifs est un facteur cinétique. Plus la concentration des réactifs est faible plus la réaction est lente. Donc, en général, au cours du temps la vitesse de réaction diminue.

Les catalyseurs

Définition

Comment fonctionnent les catalyseurs chimiques ?
Un catalyseur est nécessairement restitué à la fin de la réaction.

En chimie, un catalyseur est un élément d'une réaction qui augment la vitesse de réaction.

Chaque catalyseur est propre à une réaction chimique. Par exemple, un catalyseur qui accélère une certaine réaction n'aura pas forcément le même effet sur une autre.

De plus, les catalyseurs n'ont pas d'incidence sur les produits de la réaction. on utilise régulièrement comme catalyseur les zéolithes, des composants minéraux de synthèses assez proches de l'argile.

Leur utilisation la plus courante est dans les pots catalytiques des voitures. Mais on retrouve aussi fréquemment les catalyseurs dans l'industrie et la chimie.

Temps de demi-réaction

Définition

Le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l'avancement x est égal à la moitié de l'avancement final.

Si la transformation est totale, ce qui correspond à la disparition du réactif limitant, l'avancement final est l'avancement maximal alors :

Quand t = t 1/2,

    \[ x = \frac { x _{ \text { max} } } {2} \]

Détermination de t1/2

On calcule xmax à partir du réactif limitant dans le tableau d'avancement. On en déduit:

    \[ x = \frac { x _{ \text { max} } } {2} \]

En reportant cette valeur sur la courbe x=f(t) on déduit par simple lecture graphique la valeur de t1/2.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir. Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).