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Fiche explicative de la leçon : Effets de la température et de la concentration sur la vitesse des réactions Sciences

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment décrire et expliquer l’effet de la température et de la concentration sur la vitesse des réactions chimiques.

On appelle vitesse de réaction la vitesse à laquelle une réaction chimique se produit. Habituellement, la vitesse de réaction correspond à la variation de certaines variables en fonction du temps. Un moyen courant pour déterminer la vitesse d’une réaction chimique consiste à mesurer la variation des concentrations des réactifs et des produits sur une période donnée.

Définition : La vitesse de réaction

La vitesse de réaction mesure la variation des concentrations de réactif ou de produit par unité de temps.

La vitesse d’une réaction chimique peut être affectée par de nombreux facteurs. En changeant certains de ces facteurs, la vitesse de réaction peut être augmentée ou diminuée.

Les facteurs qui affectent la vitesse de réaction comprennent la superficie, la température, la concentration et l’ajout de catalyseurs. Nous allons nous concentrer sur la température et la concentration.

Pour que deux particules réagissent, elles doivent d’abord entrer en collision. De plus, les particules doivent avoir une certaine quantité d’énergie lors de leur collision.

Tout facteur qui peut augmenter la fréquence des collisions ou l'énergie des particules, augmentera potentiellement la vitesse de réaction.

Exemple 1: Identification de la boîte ayant le nombre le plus élevé de collisions entre particules

Les boîtes ci-dessous représentent une réaction chimique entre les particules rouges et bleues. Dans quelle boîte le nombre de collisions sera-t-il le plus élevé?

Réponse

Une réaction chimique se produit lorsque des réactifs entrent en collision. Plus le nombre de collisions qui se produisent est élevé, plus la réaction est susceptible de se produire et donc plus la vitesse de réaction est élevée.

Plusieurs facteurs peuvent influer sur la vitesse de réaction. À partir de la question et du dessin, nous pouvons voir qu’il s’agit de quatre boîtes, chacune contenant un nombre différent de particules. La taille de la boîte est la même dans chaque cas.

Si les particules se déplacent de manière aléatoire, dans ce cas-là, plus il y a de particules, plus il y a de collisions pouvant se produire.

On peut voir que la boîte A contient le nombre le plus élevé de particules. Par conséquent, le nombre de collisions devrait être le plus élevé dans cette même boîte.

La réponse est la boîte A.

Une façon d’augmenter le nombre de collisions consiste à augmenter la température. Lorsque la température augmente, les particules gagnent de l’énergie et se déplacent plus rapidement. Plus les particules se déplacent rapidement, plus elles sont susceptibles d’entrer en collision les unes avec les autres.

Sur la figure ci-dessous, plus la flèche est longue, plus la particule se déplace rapidement. À des températures élevées, les particules ont plus d’énergie et donc leurs flèches associées sont plus longues.

L’effet de la température sur la vitesse de réaction peut être facilement démontré au cours d’une expérience en laboratoire. Dans une telle expérience, une pastille effervescente est placée dans une fiole contenant de l’eau chaude et une deuxième pastille est placée dans une autre fiole contenant de l’eau froide.

La pastille réagit avec l’eau pour produire du gaz carbonique. Le montage expérimental est montré ci-dessous.

Les vitesses de réaction peuvent être déterminées et comparées en mesurant le volume de gaz produit dans chaque expérience.

Les résultats de cette expérience sont présentés dans le graphique ci-dessous:

À température élevée, les particules ont plus d’énergie et se déplacent plus vite. Cela augmente le nombre de collisions entre les particules permettant d’augmenter la vitesse de réaction.

Une vitesse de réaction plus élevée augmente le volume de gaz produit au début de la réaction, ce qui rend la courbe plus raide sur le graphique. Mais, comme la masse de la pastille et le volume d’eau restent constants, la quantité finale de gaz produit est la même.

Exemple 2: Relation entre la température et la fréquence des collisions entre molécules

Les boîtes ci-dessous contiennent chacune un nombre égal de molécules de réactif. Les boîtes sont chauffées à des températures différentes. Quelle boîte aura la plus grande fréquence des collisions entre les molécules?

Réponse

Pour que deux molécules de réactif réagissent, elles doivent entrer en collision. Plusieurs facteurs peuvent augmenter le nombre de collisions entre les molécules de réactif. L’un d’entre eux est la température.

On nous dit que chaque boîte contient le même nombre de molécules de réactif, alors la fréquence des collisions ne sera pas affectée par un nombre différent de molécules. En même temps, la température est différente dans chaque boîte, alors l’effet principal sur la fréquence des collisions viendra du changement de température.

Lorsque la température augmente, les molécules du réactif gagnent de l’énergie et se déplacent plus rapidement. Plus les molécules se déplacent rapidement, plus elles sont susceptibles d’entrer en collision et plus la fréquence des collisions est élevée.

Plus la température est élevée, plus la fréquence des collisions entre molécules est élevée. En regardant le dessin, on peut voir que la boîte ayant la température la plus élevée est la boîte D. Par conséquent, la réponse est la boîte D.

La température est un facteur très important de contrôle de la vitesse des réactions dans les aliments. Le fait de placer les aliments dans un endroit frais, tel qu’un réfrigérateur ou un congélateur, ralentit les réactions chimiques qui altèrent les aliments. Par conséquent, la nourriture peut être conservée et peut durer plus longtemps.

Des températures élevées sont souvent utilisées lors de la cuisson des aliments. La température élevée augmente la vitesse de réaction et aide à cuire les aliments plus rapidement et plus soigneusement.

L’effet de la concentration sur la vitesse de réaction peut être expliqué en observant la fréquence des collisions.

Imaginez la réaction entre les particules violettes A et les particules vertes B représentées sur le dessin ci-dessous.

L’augmentation de la concentration de B signifie que le nombre de particules présentes dans B augmente. Cela est illustré par le dessin ci-dessous.

Une augmentation du nombre de particules entraînera une augmentation du nombre de collisions. Un nombre de collisions plus élevé provoque un accroissement de la vitesse de réaction.

L’effet de la concentration sur la vitesse de réaction peut être démontré en utilisant la réaction de la laine de fer avec l’oxygène.

La laine de fer, également appelée laine d’acier, peut être brûlée en présence de l’oxygène. Cependant, la vitesse et l’intensité de cette réaction changent lorsque la concentration d’oxygène change.

Lorsqu’elle est brûlée au-dessus d’un bec Bunsen, la laine de fer est donc brûlée dans l’air. L’air contient 21% d’oxygène, ce qui représente une concentration moyenne ou faible. La vitesse de réaction est assez basse, la laine de fer brûlant relativement lentement.

Cependant, lorsqu’elle est brûlée dans de l’oxygène pur, la réaction est beaucoup plus rapide et intense. La concentration de l’oxygène pur est de 100%, bien plus élevée que dans l’air. L’augmentation de la concentration de l’oxygène accroît la vitesse de réaction et conduit à une réaction plus forte et plus rapide.

Ces deux expériences sont illustrées dans l’image ci-dessous.

Exemple 3: Explication de la différence entre les vitesses de combustion dans l’air et dans l’oxygène pur

Pourquoi la combustion de l’aluminium dans l’air est-elle plus lente que dans l’oxygène pur?

  1. La température de l’oxygène dans l’air est plus grande que dans l’oxygène pur.
  2. La température de l’oxygène pur est supérieure à celle de l’air.
  3. La concentration d’oxygène dans l’air est inférieure à celle de l’oxygène pur.
  4. La concentration d’oxygène dans l’air est plus grande que dans l’oxygène pur.

Réponse

Le processus de combustion se réfère généralement à la réaction d’une substance avec l’oxygène. Ici, l’aluminium est mis en réaction avec l’oxygène dans deux conditions différentes.

La combustion de l’aluminium dans l’air est très vraisemblablement effectuée à l’aide d’un brûleur Bunsen. L’air contient habituellement environ 21% d’oxygène, une quantité relativement faible d’oxygène.

La plupart du temps, la combustion de l’aluminium avec de l’oxygène pur implique des conditions où il y a 100% d’oxygène. Nous pouvons voir que la différence entre une combustion dans l’air et dans de l’oxygène pur est la quantité, ou la concentration, d’oxygène présent.

Nous pouvons en conclure que la différence entre les vitesses de combustion provient des concentrations d’oxygène qui sont différentes. Notre réponse devrait donc être soit C soit D.

La concentration peut affecter la vitesse de réaction en modifiant le nombre de molécules présentes de réactif. Plus il y a de molécules réactives, plus le nombre de collisions pouvant se produire est élevé et plus la vitesse de réaction est élevée.

Lorsque la concentration augmente, la vitesse de réaction augmente aussi.

La combustion de l’aluminium dans l’air est plus lente car la concentration d’oxygène est inférieure à celle de l’oxygène pur. Cette affirmation correspond au choix C, donc notre réponse est C.

Une autre expérience qui montre l’effet de la concentration sur la vitesse de réaction est la réaction du magnésium avec l’acide chlorhydrique.

Dans cette expérience, une fiole conique contient de l’acide chlorhydrique dilué et une autre fiole contient de l’acide chlorhydrique concentré. Chaque fiole conique contient un morceau identique de magnésium (même taille et même masse).

L’équation chimique de la réaction entre le magnésium et l’acide chlorhydrique est:Mg()+2HCl()MgCl()+H()saqaqg22

Par conséquent, toute variation de la vitesse de réaction peut être déterminée en mesurant le volume d’hydrogène produit au cours du temps.

Le montage de cette expérience est illustré dans l’image ci-dessous:

En traçant le graphique du volume d’hydrogène gazeux produit en fonction du temps, on peut déterminer les vitesses de réaction pour chaque expérience. Un graphique illustrant les vitesses de réaction respectives de l’acide chlorhydrique dilué et de l’acide chlorhydrique concentré est montré ci-dessous:

Le graphique montre qu’un plus grand volume d’hydrogène gazeux est produit sur une courte durée quand on utilise de l’acide chlorhydrique concentré. Cela montre que la vitesse de réaction augmente avec la concentration.

Lorsque la concentration de l’acide chlorhydrique augmente, le nombre de particules d’acide augmente aussi. Par conséquent, un nombre de collisions plus élevé s’est produit entre l’acide et les particules de magnésium, et donc, une augmentation de la vitesse de réaction peut être constatée.

Exemple 4: Identification de l’ordre des expériences avec des concentrations différentes selon leurs vitesses de réaction

Un chimiste effectue une série d’expériences pour déterminer l’effet de la concentration sur la vitesse d’une réaction. Il verse une quantité égale d’acide chlorhydrique de différentes concentrations dans quatre éprouvettes, puis il place une pièce identique de ruban de magnésium dans chacune des éprouvettes. La configuration de l’expérience est illustrée ci-dessous.

From slowest to quickest, what is the likely ordering of the rate of reaction for the four experiments?

  1. C, A, B, D
  2. C, D, B, A
  3. A, C, D, B
  4. B, C, A, D
  5. D, C, A, B

Réponse

Plusieurs facteurs peuvent influer sur la vitesse de réaction. Ils comprennent la concentration et la superficie. Dans cette expérience, le volume d’acide chlorhydrique utilisé est maintenu le même. Des pièces identiques de magnésium sont utilisées, de sorte que la superficie et la masse soient les mêmes.

Le seul facteur qui change est la concentration d’acide chlorhydrique. La concentration la plus élevée est celle de l’expérience D et la plus faible, celle de l’expérience B.

Pour qu’une réaction ait lieu, les molécules de réactif doivent entrer en collision les unes avec les autres. L’augmentation du nombre de collisions augmente la vitesse de réaction.

Lorsque la concentration augmente, le nombre de particules d’acide présentes dans la solution augmente aussi. L’augmentation du nombre de particules d’acide entraînera un nombre de collisions plus élevée et donc une réaction plus rapide.

Si la vitesse de réaction augmente avec la concentration, alors l’ordre de la vitesse de réaction du plus lente au plus rapide correspondra à l’ordre de la concentration, du plus faible au plus élevée.

Du plus lente au plus rapide, l’ordre probable est B, C, A, D, ce qui correspond à la réponse D. La bonne réponse est donc D.

Exemple 5: Identification de l’ensemble de conditions conduisant à la vitesse de réaction la plus élevée

Dans une série d’expériences, un élève change à la fois la concentration et la température. Les conditions pour chaque expérience sont indiquées ci-dessous. Dans quelle fiole conique la vitesse de réaction est-elle la plus élevée?

Réponse

La vitesse d’une réaction est à la fois affectée par la température et par la concentration. Pour qu’une réaction ait lieu, les particules de réactif doivent entrer en collision les unes avec les autres. Tout facteur qui permet d’augmenter le nombre de collisions est susceptible d’accroître la vitesse de réaction.

Lorsque la température augmente, les particules reçoivent plus d’énergie et peuvent se déplacer plus rapidement. Cela entraînera un nombre de collisions plus élevée et une réaction plus rapide. Par conséquent, la vitesse de réaction croît avec l’augmentation de la température.

Lorsque la concentration augmente, le nombre de particules de réactif augmente aussi. En présence d’un nombre plus élevé de particules, il y aura vraisemblablement un nombre plus élevé de collisions et donc, une vitesse de réaction plus élevée. Par conséquent, la vitesse de réaction croît avec la concentration.

Nous pouvons conclure des deux affirmations ci-dessus, que la vitesse de réaction est susceptible d’être la plus élevée lorsque la température et la concentration sont les plus élevées.

Sur le dessin ci-dessus, nous pouvons voir que la température la plus élevée est de 50C et que la plus grande concentration est de 2 mol/L, ce qui se produit dans l’expérience C.

La vitesse de réaction est donc vraisemblablement la plus élevée dans l’expérience C.

Points Clés

  • La vitesse de réaction mesure la variation des concentrations de réactif ou de produit par unité de temps.
  • Pour qu’une réaction chimique ait lieu, les particules de réactif doivent entrer en collision les unes avec les autres.
  • Généralement, au fur et à mesure que le nombre de collisions entre les particules de réactif augmente, la vitesse de réaction augmente.
  • Lorsque la température augmente, les particules gagnent plus d’énergie et le nombre de collisions augmente aussi, entraînant un accroissement de la vitesse de réaction.
  • L’effet de la température sur la vitesse de réaction peut être observé expérimentalement en faisant réagir des pastilles effervescentes avec de l’eau et en mesurant le volume de gaz produit.
  • L’accroissement de la concentration augmente le nombre de particules présentes. Il y a un nombre de collisions plus élevé qui entraîne l’accroissement de la vitesse de réaction.
  • La combustion de substances telles que la laine de fer dans l’oxygène pur est plus rapide que dans l’air car la concentration d’oxygène est plus faible dans l’air.
  • L’effet de la concentration sur la vitesse de réaction peut être observé expérimentalement en mesurant le volume de gaz produit en faisant réagir du magnésium avec des concentrations différentes d’acide chlorhydrique.

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