Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à prédire et expliquer les effets d’une variation de concentration, de pression et de surface de contact sur la vitesse de réaction en utilisant la théorie des collisions.
La vitesse de réaction décrit la vitesse à laquelle les réactifs se transforment en produits au cours d’une réaction chimique. Les réactions chimiques peuvent se produire très lentement, ou très rapidement. Les métaux peuvent s’oxyder lentement s’ils sont laissés à l’extérieur, et les métaux peuvent produire presque instantanément des gaz s’ils sont plongés dans de l’acide. La vitesse de réaction est généralement assez difficile à prédire car elle dépend de nombreux facteurs tels que la température et la pression.
La théorie des collisions stipule qu’une réaction chimique ne peut se produire que si deux particules de réactif entrent en collision avec suffisamment d’énergie pour franchir la barrière d’énergie d’activation. La vitesse de réaction sera plutôt faible si les collisions ne se produisent pas très souvent ou si l’énergie des collisions est inférieure à la barrière d’énergie d’activation. La figure ci-dessous montre comment les réactions chimiques ne sont induites que lors de processus efficaces de collision de particules.
Définition : énergie d’activation
L’énergie d’activation est la quantité minimale d’énergie nécessaire pour qu’une réaction se produise.
La théorie des collisions peut être utilisée pour comprendre comment la température affecte la vitesse de réaction. Des températures plus élevées font que les particules de réactifs se déplacer rapidement et contiennent beaucoup d’énergie. Les particules qui se déplacent plus vite et qui contiennent plus d’énergie entrent en collision plus fréquemment et plus énergétiquement. La vitesse de réaction augmentera si la température est augmentée, car les particules de réactif entrent en collision plus fréquemment et avec plus d’énergie ; les particules de réactif franchissent la barrière d’énergie d’activation plus souvent et les particules de réactif se transforment en particules de produit à plus grande vitesse.
Nous pouvons étendre l’application de la théorie des collisions à l’exploration de la relation entre la vitesse de réaction et d’autres propriétés physiques telles que la pression, les concentrations en réactifs et les surfaces de contact des réactifs.
Il est important de préciser ici que la vitesse de réaction est également influencée par les catalyseurs. Les molécules ont tendance à réagir plus rapidement en présence d’un catalyseur positif, car le catalyseur a la capacité de réduire les barrières d’énergie d’activation. Les molécules réactives se transforment plus souvent en produits lorsqu’elles interagissent avec un catalyseur positif. La vitesse de réaction est également affectée par les propriétés de liaison des molécules de réactifs. Les composés ioniques ont tendance à réagir plus rapidement que les composés liés de manière covalente. La vitesse de réaction est même influencée par la lumière et la forte énergie d’ionisation. L’énergie électromagnétique peut affecter les liaisons chimiques, et peut permettre aux particules de se transformer en produits plus rapidement. Il existe de nombreux facteurs qui peuvent influer la vitesse d’une réaction chimique, mais tous ne seront pas traités dans cette fiche explicative.
La pression et la vitesse de réaction sont directement liées l’une à l’autre car la pression détermine l’espace entre les particules de réactifs. Les particules placées dans un réacteur à haute pression sont très proches les unes des autres et ont tendance à entrer en collision très souvent. Dans un réacteur à basse pression, les particules sont très éloignées les unes des autres et elles n’ont pas tendance à se heurter très souvent. Dans un réacteur à haute pression, les particules franchissent la barrière d’énergie d’activation plus fréquemment.
L’image suivante montre comment il y a moins d’espace entre les particules de gaz de réactifs dans un récipient où la pression est plus élevée. L’un des types de particules de gaz de réactif est bleu, et l’autre type de particules de réactif est rouge. Les parois du récipient sont représentées par une fine ligne noire.
Exemple 1: Déterminer quelle combinaison de valeurs de température et de pression permettra au gaz d’éthylène de se transformer en polyéthylène plus rapidement
Le polyéthylène est formé à partir d’éthylène gazeux. Laquelle des combinaisons de conditions de température et de pression suivantes permettrait d’obtenir la plus grande vitesse de réaction ?
- Une basse température et une basse pression.
- Une haute température et une haute pression.
- Une haute température et une basse pression.
- Une basse température et haute pression.
Réponse
Dans cette question, on nous demande de sélectionner les rangs de température et de pression qui augmenteront la vitesse de réaction. Pour répondre à cette question, nous devons savoir comment les valeurs de température et de pression affectent la vitesse de réaction.
La température et la vitesse de réaction sont directement liées l’une à l’autre. Les particules se déplacent plus rapidement et entrent en collision plus fréquemment lorsque la température est élevée. Les particules se déplacent moins vite et entrent en collision moins fréquemment lorsque la température est plus basse. Nous pouvons utiliser ces assertions pour deviner que les molécules de gaz d’éthylène vont réagir plus fréquemment si la température est élevée.
La pression et la vitesse de réaction sont également directement liées l’une à l’autre. Les particules sont confinées dans un plus petit volume lorsque la pression est élevée. Les particules peuvent entrer en collision plus fréquemment et réagir plus souvent lorsque la pression est élevée et que les particules sont proches les unes des autres. Nous pouvons utiliser ces assertions pour déterminer que les molécules de gaz d’éthylène vont réagir plus fréquemment si la pression est élevée.
Nous pouvons utiliser nos deux déductions logiques pour définir que l’option B est la bonne réponse à cette question.
La théorie des collisions peut également être utilisée pour comprendre comment les valeurs de la surface de contact affectent les vitesses de réaction. Les particules ne peuvent réagir et former des molécules de produit que si elles entrent en collision. Les réactions chimiques peuvent se produire plus fréquemment si la surface d'un réactif exposée aux particules d'autres réactifs est grande. Les particules de réactif franchissent la barrière d’énergie d’activation plus souvent lorsque les surfaces de contact des réactifs exposées les unes aux autres sont plus grandes.
L’image suivante montre comment la vitesse de réaction peut être augmentée en augmentant la surface de contact d’un type de molécule de réactif. L’image montre comment il peut y avoir plus de collisions entre les deux types de particules lorsque le bloc de particules bleu est divisé en plus petits morceaux.
Définition: superficie
La superficie mesure l’aire totale occupée par la surface d’un objet.
Exemple 2: Identifier le système avec la plus grande valeur de superficie (surface de contact) totale
Les combinaisons de formes suivantes ont toutes le même volume total. Laquelle a la plus grande superficie totale ?
Réponse
Dans cette question, on nous demande de comparer différentes combinaisons de formes, et de déterminer celle avec la plus grande superficie totale.
Une façon de résoudre ce problème serait d’additionner les surfaces de chacune des formes distinctes, mais il est plus simple de résoudre ce problème de manière intuitive. Vous trouverez une explication de la méthode de calcul direct à la fin de cet exemple.
La méthode intuitive consiste à comparer les figures pour déterminer celle qui a la plus grande ou la plus petite superficie totale. Par exemple, si on compare le choix B (le cube) avec le choix A (les deux prismes rectangulaires), on peut voir que le choix A a toutes les mêmes faces extérieures que le choix B, mais avec deux faces additionnelles au centre. Le choix A doit avoir une superficie plus grande que le choix B.
On peut utiliser la même logique pour conclure que le choix D (les quatre prismes rectangulaires) représente une superficie plus grande que le choix A.
Enfin, le choix C (les huit cubes) est le même que le choix D, mais avec des coupes verticales supplémentaires qui exposent encore plus de superficie. Le choix C a la plus grande superficie parmi les options proposées.
Calculer la superficie totale de chaque figure est également une bonne méthode, mais qui prend beaucoup de temps. Nous devons tout d’abord déterminer la superficie de chaque face carrée ou rectangulaire. Nous devons calculer la superficie de chaque type de face carrée ou rectangulaire exposée, et nous devons également multiplier et additionner plusieurs de ces valeurs. Pour l’option A, nous devons déterminer la superficie des deux types de faces carrées et rectangulaires. Nous devons ensuite multiplier ces nombres par quatre ou huit, puis additionner les résultats des deux produits de multiplication. Les calculs pour chacun des choix sont indiqués ci-dessous :
B : ,
A : ,
D : ,
C : .
Les méthodes de calcul intuitif et direct indiquent toutes deux que l’option C est la bonne réponse à cette question.
La théorie des collisions peut également être utilisée pour comprendre comment les valeurs de la concentration affectent les vitesses de réaction. Il y a plus de collisions entre les particules de réactif lorsque la concentration en particules de l’un ou des deux réactifs est élevée. Il y a moins de collisions entre les particules de réactif lorsque la concentration en particules de l’un ou des deux réactifs est faible. Les particules de réactif fraichissent la barrière d’énergie d’activation plus souvent si la concentration en particules d’au moins un des réactifs est élevée, car des collisions efficaces se produisent plus fréquemment.
Ce raisonnement peut être utilisé pour comprendre pourquoi le zinc se dissout lentement dans une solution d’acide chlorhydrique à une certaine concentration et plus rapidement dans une autre. La réaction chimique se produit rapidement dans la solution qui contient une forte concentration en ions hydrogène, car il y a plus de collisions hydrogène-zinc dans un laps de temps donné. Les ions zinc et hydrogène (les particules de réactifs) franchissent la barrière d’énergie d’activation plus fréquemment.
Exemple 3: Déterminer la combinaison de température, de concentration et de surface de contact qui réduit la vitesse de réaction
Dans lequel des diagrammes suivants, la réaction sera-t-elle la plus lente ?
Réponse
Dans cette question, on nous demande de déterminer quelle réaction se produira le moins vite. La question fournit des informations sur la concentration, la température et la superficie de contact des particules du réactif. Nous devons choisir la configuration qui correspond à la vitesse de réaction la plus lente. Il est plus facile de considérer des propriétés comme la concentration et la température les unes après les autres, plutôt que toutes en même temps.
La théorie des collisions stipule que les vitesses de réaction sont faibles lorsque la concentration en molécules de réactif est faible. Nous utilisons cette assertion pour éliminer les choix avec des solutions d’acide chlorhydrique à 2,0 mol/L ( ) et nous concentrer sur les choix avec une concentration en acide chlorhydrique à 0,5 mol/L.
La théorie des collisions stipule que les vitesses de réaction sont faibles lorsque la température est basse. On peut utiliser cette assertion pour éliminer les choix où la température de la solution d’acide chlorhydrique est de et nous concentrer sur les choix où la température de la solution d’acide chlorhydrique est de .
La théorie des collisions stipule que les vitesses de réaction sont faibles lorsqu’il y a moins de surface de contact pour les collisions entre les particules de réactif. Les gros morceaux ont moins de superficie (surface de contact) que s’ils sont broyés et réduits en poudre, ce qui indique que nous devrions nous concentrer sur les options qui contiennent du carbonate de magnésium des morceaux.
Le choix B doit avoir la vitesse de réaction la plus faible, car il montre une solution avec une concentration d’acide chlorhydrique à 0,5 mol/L, à une température de qui réagit avec du carbonate de magnésium en morceaux.
De nombreuses propriétés physiques sont proportionnelles, ou directement liées, à la vitesse de réaction. La vitesse de réaction est divisée par deux lorsque la pression est divisée par deux, et la vitesse de réaction est doublée lorsque la surface de contact est doublée. La vitesse de réaction sera divisée par dix lorsque la concentration en particules de réactif sera divisée par dix.
La théorie des collisions peut être appliquée pour rendre les processus de réaction chimique plus sûrs et pour éviter les risques industriels. Des explosions de poussières peuvent se produire dans les usines qui manipulent des matières inflammables telles que le les poussières de charbon et la farine. Les matériaux combustibles peuvent réagir de manière explosive s’ils sont transformés en particules fines (poussières) en suspension dans l’air, parce que les matériaux inflammables ont une plus grande surface de contact totale, et qu’ils peuvent réagir à une vitesse très rapide.
La théorie des collisions stipule que le risque d’une explosion de poussières peut être réduit s’il y a moins de collisions entre les particules fines combustibles ou si les collisions sont moins efficaces. Le nombre de réactions explosives peut être réduit en assurant une bonne ventilation de l'air, car le vent a tendance à chasser les particules combustibles. Le nombre de réactions explosives peut également être réduit en s’assurant que l’air contient beaucoup de vapeur d’eau. Les particules fines combustibles ne peuvent pas réagir entre elles lorsqu’elles se heurtent à des molécules d’eau qui s’interposent.
Exemple 4: Déterminer la combinaison de pression et de température qui maximise la vitesse de réaction
Les explosions de poussières dans les minoteries représentent un grave problème de sécurité. Pourquoi la réaction entre les particules de farine et l’oxygène de l’air est-elle si rapide ?
- Les poussières de farine agissent comme un catalyseur.
- Les poussières de farine ont une grande surface de contact, ce qui engendre un taux élevé de collisions.
- Les explosions de poussières créent des nuages explosifs dans l’air, augmentant la vitesse de réaction.
- Une explosion de poussières est exothermique.
- Les poussières de farine sont très inflammables et concentrées dans l’air.
Réponse
L’énoncé de cette question décrit une réaction explosive entre des particules de farine et l’oxygène, et on nous demande de déterminer pourquoi la vitesse de réaction est si rapide.
Le choix A est incorrect. Les poussières participent à la réaction, elles ne peuvent donc pas être un catalyseur. On ne s’attend pas à ce que les poussières restent après une explosion.
Le choix D est incorrect. Les réactions exothermiques et endothermiques peuvent chacune se produire rapidement ou lentement.
Le choix C est incorrect. Les explosions de poussières peuvent créer des nuages explosifs, mais uniquement après que l’explosion se soit produite. Cette réponse n’explique pas pourquoi la réaction initiale est si rapide.
Le choix E est incorrect. Des tas de poussières seraient plus concentrés que des poussières en suspension dans l’air, mais ils n’explosent pas aussi vigoureusement.
La bonne réponse est le choix B. Les poussières de farine ont une grande surface de contact, ce qui entraîne un taux de collision élevé. Les particules de poussière sont exposées aux molécules d’oxygène dans toutes les directions. Avant que la farine ne soit broyée et réduite en poudre, ses particules sont beaucoup plus grosses et plus compactées, exposant seulement une couche extérieure qui se heurte avec l’oxygène. De la grande surface de contact des poussières en suspension dans l’air découle une vitesse de réaction élevée et une réaction potentiellement explosive.
La théorie des collisions peut être utilisée pour comprendre et réduire le risque de dangereuses explosions dans les mines souterraines. Le méthane est produit par des processus naturels au cours de millions d’années, et il peut parfois se concentrer dans des poches souterraines. Les mineurs doivent se méfier de ces poches concentrées de méthane, car elles vont réagir de manière explosive si elles s’enflamment en présence d’une étincelle ou si elles brûlent lorsqu’elles sont exposées à une flamme. La théorie des collisions stipule que le risque d’une réaction explosive est directement lié à la concentration en molécules explosives de méthane dans les poches de gaz souterraines. Le risque d’une réaction explosive peut être significativement réduit si les mineurs prennent certaines précautions et trouvent des moyens appropriés de réduire la concentration en molécules de méthane gazeux dans l’air.
Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.
Points clés
- Le modèle de la théorie des collisions stipule que des réactions chimiques ne peuvent se produire que si les molécules de réactif entrent en collision avec suffisamment d’énergie pour franchir la barrière d’énergie d’activation.
- Les particules entrent en collision et réagissent plus souvent lorsque la température est élevée.
- Les particules entrent en collision et réagissent plus souvent lorsque la pression est élevée.
- Les particules entrent en collision et réagissent plus souvent lorsque la surface de contact d’un réactif exposée à d’autres particules de réactif est grande.
- Les particules entrent en collision et réagissent plus souvent lorsque la concentration en particules de réactif est élevée.
- La vitesse de réaction est habituellement proportionnelle à la température et à la pression environnantes.
- La vitesse de réaction est habituellement proportionnelle à la concentration en particules de réactif en solution liquide.
- La vitesse de réaction est habituellement proportionnelle à la surface de contact des réactifs.
- Les explosions de poussières et les explosions dans les mines sont des exemples de réactions dangereuses qui ont des vitesses de réaction très élevés.
