Les réactions chimiques sont limitées par deux causes. La première est le fait qu'une réaction n'est pas forcément totale et donc aucun des réactifs ne réagit complètement. Cependant, certaines réactions devraient être totales et pourtant tous les réactifs sont encore présents au bout d'un temps plus ou moins long. Ces réactions sont limitées par leur vitesse de réaction.
La cinétique chimique consiste à étudier la vitesse des réactions chimiques. Elle est fondamentale pour la chimie appliquée car une réaction trop lente ne sera pas assez rentable ni assez efficace.
La vitesse d'une réaction
Les réactions lentes et les réactions rapides
Réaction lente
Une réaction sera considérée lente si l'évolution temporelle d'un paramètre physico-chimique (comme la couleur, l'acidité, etc) de ce système peut s'apprécier à l'œil nu ou à l'aide d'un appareil de mesure.
Soit une solution acidifiée d'ions iodure (de formule I^- ) initialement incolore. Si on rajoute à cette solution une solution incolore d'eau oxygénée (de formule \ce{H2O2} ), la réaction résultante produit du diiode (de formule I_2 ) de couleur marron-orangé dans l'eau. Le changement de teinte se fait progressivement au bout de plusieurs secondes. L'évolution de la teinte est donc appréciable à l'œil nu.
Réaction rapide
Une réaction sera considérée rapide si sa durée n'excède pas le dixième de seconde ce qui correspond au temps que dure la persistance rétinienne.
La réaction entre de l'acide chlorhydrique et de la soude est une réaction quasi-instantanée pour laquelle l'évolution d'un paramètre physico-chimique ne peut être appréciée.
Le suivi cinétique d'une réaction
Suivi cinétique d'une réaction chimique
Le suivi cinétique d'une réaction chimique consiste à suivre l'évolution temporelle d'un système chimique afin de connaître son état à chaque instant.
Pour effectuer un suivi cinétique, il faut connaître la quantité de matière ou la concentration d'au moins une espèce chimique participant à la réaction (réactif ou produit) à intervalles de temps réguliers et suffisamment proches.
Le temps de demi-réaction
Le temps de demi-réaction caractérise la vitesse d'une réaction.
Temps de demi-réaction
Le temps de demi-réaction, noté t_{1/2}, est la durée au bout de laquelle l'avancement x\left( t_{1/2} \right) est égal à la moitié de l'avancement final de la réaction x_f.
Le temps de demi-réaction peut aussi se définir comme étant la durée au bout de laquelle :
- La moitié de la quantité de matière initiale du réactif limitant a été consommée.
- La concentration initiale en réactif limitant a été divisée par deux.
Les méthodes de suivi cinétique
Les méthodes chimiques
Les méthodes chimiques permettent de suivre l'évolution temporelle de la composition du milieu réactionnel de deux manières différentes :
- La détermination de la quantité de matière (ou de la concentration) d'un réactif limitant (ou d'un produit) par titrage
- La séparation des espèces composant le milieu réactionnel par un procédé chimique comme la chromatographie sur couche mince
Les méthodes physiques
Les méthodes physiques reposent sur la mesure d'une grandeur physique proportionnelle à la concentration d'un réactif ou d'un produit à intervalles de temps réguliers.
La spectrophotométrie et la conductimétrie sont deux techniques permettant le suivi cinétique par mesure de l'absorbance et de la conductance respectivement.
La comparaison entre les deux types de méthode
Les méthodes physiques sont bien plus efficaces que les méthodes chimiques car elles possèdent beaucoup d'avantages comme :
- Une excellente précision des mesures (même à faible concentration)
- Aucune perte de matière (méthode non destructive)
- Une mise en œuvre simple et rapide
- La possibilité d'automatiser les mesures
- La possibilité d'avoir des intervalles de temps très courts
Il n'est cependant pas toujours possible d'y avoir recours.
Les facteurs cinétiques
Facteur cinétique
Un facteur cinétique est un paramètre physique qui modifie la vitesse d'une réaction chimique.
La température
En gardant tous les autres paramètres fixes, une augmentation de la température augmente la vitesse de la réaction.
La concentration
En gardant tous les autres paramètres fixes, mettre un réactif en excès (ou un produit en défaut) augmente la vitesse de la réaction.
Le solvant
Le solvant peut influer sur la vitesse de réaction en favorisant (ou en défavorisant) le contact entre les réactifs.
La catalyse
Catalyse
La catalyse est le phénomène par lequel la vitesse d'une réaction peut être grandement augmentée grâce à l'action d'un catalyseur.
Les catalyseurs
Catalyseur
Un catalyseur est une espèce chimique susceptible d'accélérer une réaction sans modifier la composition finale du système.
Les métaux comme le platine peuvent augmenter grandement la vitesse de certaines réactions sans intervenir chimiquement dans la réaction.
Si une réaction peut mener à la formation de deux produits différents (ou plus), le catalyseur peut orienter la réaction vers la formation d'un de ces produits. On parle alors de la sélectivité du catalyseur.
Lorsque l'on chauffe de l'éthanol en présence d'oxygène, on réalise une combustion qui produit du dioxyde de carbone et de l'eau. En présence de cuivre solide, la même réaction produit de l'éthanal et du dihydrogène. Le cuivre a servi de catalyseur en orientant la réaction vers la formation d'éthanal.
Le catalyseur est consommé par les réactifs puis reformé en proportion égale au cours de la réaction. Il ne figure donc pas dans l'équation bilan de la réaction.
Les différents types de catalyse
La nature du catalyseur définit le type de catalyse. Voici les trois types de catalyse que l'on peut rencontrer :
- La catalyse homogène : le catalyseur et les réactifs ne forment qu'une seule phase (liquide ou gazeuse).
- La catalyse hétérogène : le catalyseur et les réactifs forment deux phases distinctes (le catalyseur est souvent un solide).
- La catalyse enzymatique : le catalyseur est une macromolécule organique appelée enzyme.