Réaction chimique : définition

Une transformation chimique correspond à la transformation d'espèces chimiques appelées réactifs en d'autres espèces chimiques appelées produits. Cette transformation s'opère par un réarrangement des éléments chimiques.

Lavoisier, chimiste français, énonce une loi qui définit bien le réaction chimique :

Lors d'une transformation, rien de se perd, rien ne se crée, tout se transforme car rien ne se crée, ni dans les opérations de l'art, ni dans celles de la nature, et l'on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l'opération ; que la qualité et la quantité des principes est la même, et qu'il n'y a que des changements, des modifications

De cette loi découlent plusieurs conclusions : En système fermé, lors d'une réaction chimique, la masse des réactifs est égale à la masse des produits. Le nombre d'atomes à l'entrée (dans les réactifs) est aussi égal au nombre d'atomes à la sortie (dans les produits). Attention, les réactions nucléaires ne respectent pas ce principe car en effet, lors d'une réaction nucléaire, il y a des émissions qui font perdre de la masse aux atomes.

Quelle est la loi de Lavoisier ?
Lors d'une réaction chimique, il y a toujours conservation des masses. C'est ce qu'évoque la loi de Lavoisier.

Antoine Laurent de Lavoisier

Antoine Laurent de Lavoisier était un chimiste philosophe et économiste français du XVIIIe siècle. Il est reconnu pour la mise en place de nombreuses méthodes scientifiques que ce soit dans le domaine des expériences ou de la théorie. Il a notamment découvert les composantes de l’air et de l’eau, les différents états de la matière et a défini ce qu’était l’oxydation. Il est considéré comme le père de la chimie moderne On lui doit la célèbre maxime "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme"

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L'avancement de la réaction

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 stœchiométriques. 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.

Suivi temporel d'une transformation chimique

Comment gérer la vitesse d'une réaction ?
Dans certains domaines tels que l'industrie, la rapidité d'une réaction chimique est un élément important. En effet, certaines peuvent mettre des heures à se réaliser complètement. Dans le cas où l'on veut accélérer une réaction chimique, on a recours à ce que l'on appelle un catalyseur.

Pour suivre l'évolution au cours d'une transformation au cours du temps, il suffit de connaitre l'évolution de l'avancement x au cours su temps : x = f(t).

D'après l'équation écrite précédemment,

ηI2 (formé) = x

ηI2 (t) = x(t)

ηI2 (t) = [I2]t * V = x(t)

par exemple si on mesure A : A(t) = k [I2] = k (x(t))/V => x(t) = (A(t) *V)/k

1. Courbe d'évolution de x = f(t).

Au cours du temps, la valeur de x va tendre vers une valeur qui est l'avancement final.

2. Vitesse de réaction

1. Définition

On définit la vitesse de réaction à l'instant t, Vt

2. Détermination de V (graphiquement)

la vitesse de réaction est proportionnelle à la dérivée de x en fonction du temps.

 (coefficient directeur de la tangente à l'instant t . )

3. Evolution de la vitesse de réaction au cours du temps.

La vitesse étant proportionnelle à la dérivée, pour connaître son évolution il suffit de connaitre l'évolution des coefficients directeurs des tangentes au cours du temps.

a0 > a1 > a2 => V0 > V1 > V2

La vitesse au cours du temps diminue car les coefficients directeurs de la courbe diminuent jusqu'à ce qu'elle soit constante (inexistence).

Remarque : Les réactifs disparaissent, les concentrations des réactifs diminuent, donc la vitesse diminue.

4. Temps de demi-réaction.

C'est la durée au bout de laquelle l'avancement x a atteint la moitié de sa valeur finale. A  t = t1/2, on a x(t1/2) = xf / 2.

 

Méthodes utilisées pour suivre une transformation chimique

1. Spectrophotométrie : A = k [ ]. (ND)

 => n dépend de x

2. Dosage (Titrage) (D)

Grâce à une solution titrante de C connue, on en déduit la concentration d'une espèce chimique inconnue.

[  ] => n => x

3. Conductimétrie, dosage.(D)

Une solution contenant des ions en conductimétrie.

Conductivité σ = σ+ + σ-

σ = λ+[M+] + λ-[M-]

σ en S/m; λ en S*m²*mol; M en mol/m3

4. Mesure de pression (ND)

Si l'un des réactifs ou l'un des produits formés est gazeux, on peut suivre l'évolution d'avancement

PV = ηRT

P en Pa; V en m3; η en mol; R=8.31; T en K.

Remarque : Parmis ces méthodes, certaines sont dites destructives(D), d'autres non destructives(ND).

La spectrophotométrie

Comment fonctionne un spectrophotomètre ?
Un spectrophotomètre est un appareil scientifique qui permet de mesurer par spectrophotométrie l'absorbance d'une solution et donc de mesurer l'avancement d'une réaction chimique.

Elle ne peut s'utiliser que lorsque les espèces chimiques sont colorées.

1. Principe

Les espèces chimiques colorées ont la particularité d'absorber une certaine quantité de matière de lumière.

 

Connaissant I et I0, on peut déterminer ce qu'on appelle l'absorbance A de la solution. Cette absorbance se mesure à l'aide d'un spectrophotomètre.

L'absorbance est un nombre sans unité. On règle le spectrophotomètre sur la longueur d'onde λ  pour laquelle la solution possède son maximum d'absorbance.

2. Loi de Beer- Lambert

 

L'absorbance A d'une solution est proportionnelle à la concentration.

A = k . C

k dépend de l'espèce chimique colorée ou de la largeur de la cuve.

k = ε . l

(l = largeur en mètre, ε = coef d'extinction molaire)

A = k . C = ε . l . C

Calculs de vitesse de réaction

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

    \[ v = \frac {ab} {cd} \frac { \text {d} x } { \text {d} t} \]

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.

Voici un exemple de tableau d'avancement :

Équation de la réactionCH4(g)+2 O2(g)=CO2(g)+2 H2O(g)
Etat initial3+5=0+0
Etat intermédiaire5 - 2 x+5 - 2 x=0 + 1 x+0 + 2 x
Etat final3 - xf+5 - 2 x =0 + 1 xf+0 + 2 xf

Détermination de la vitesse volumique de réaction

De nombreuses données sont à prendre en compte afin de calculer l'équation d'une vitesse de réaction d'un mélange chimique. Cependant, ne vous inquiétez pas ! Avec de l'entraînement, vous finirez par les retenir par cœur !

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.

Accélération d'une 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

Quelques réactions chimiques

Qu'est-ce que le peroxyde d'hydrogène ?
L'eau oxygénée, aussi connue sous le nom de peroxyde d'hydrogène, est un composé chimique à base d'eau et d'oxygène, un peu plus visqueux que l'eau pure. On l'utilise parfois en temps que détachant textile.

Réaction entre l'eau oxygénée et l'ion iodure

1. Demi-équations

H2O2/H2O  et I2/I-

I2 : diiode : coloration jaune.

=> H2O2 + 2H+ + 2e- = H2O + H2O

=> 2I- = I² + 2e-

2. Equation globale

H2O2 (aq) + 2H+(aq) +2I-(aq) = I²(aq) + 2H2O(l)

Le diiode apparaît lentement en solution, c'est pourquoi la coloration dûe au diiode apparaît.

3. Moyen pour suivre l'évolution du système.

Pour connaitre l'évolution, il faut connaître l'évolution de l'avancement au cours du temps.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.