Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la vitesse d’une réaction chimique, et à expliquer comment elle est influencée par la nature du réactif et la surface de contact.
Il y a sans cesse des réactions chimiques qui se produisent. Certaines réactions chimiques peuvent être observées ; d’autres sont soit trop rapides, soit trop lentes pour être observées directement. Quand on plonge un morceau de magnésium dans un bécher d’acide chlorhydrique, une réaction chimique se produit. On peut suivre la réaction chimique et la regarder se produire sur une période de l’ordre des secondes ou minutes.
En revanche, si on laisse un morceau de fer dehors, il rouillera lentement. Le processus chimique de la formation de rouille, la corrosion du fer, a lieu sur une période de l’ordre des semaines, mois, ou même années, un laps de temps beaucoup plus long. D’autres réactions chimiques se produisent très rapidement. Allumez une allumette et la réaction chimique qui produit une flamme semble se produire presque instantanément.
Le tableau ci-dessous montre des exemples de réactions chimiques et leurs vitesses relatives.
| Réaction chimique | Vitesse relative |
|---|---|
| Combustion | Très rapide |
| Réaction du magnésium avec l’eau | Rapide |
| Corrosion du fer (rouille) | Lente |
| Vieillissement chimique des roches | Très lente |
Exemple 1: Choisir quelle réaction chimique est susceptible de se produire à une certaine vitesse relative
L’échelle de vitesse ci-dessous donne des exemples de différentes réactions chimiques qui se produisent à certaines vitesses. Laquelle des réactions suivantes est susceptible de se produire au point X ?
- La cuisson de nourriture
- La réaction du fer avec l’acide chlorhydrique
- L’allumage d’une allumette
- La réaction des métaux alcalins avec l’eau
- Le vieillissement chimique des roches
Réponse
D’après le diagramme, nous pouvons voir que le point X correspond à une réaction qui se produit à une vitesse très lente. Bien que le diagramme ne donne pas de détails sur la vitesse exacte, on peut en déduire que la réaction est plus lente que la formation de rouille.
Diverses réactions chimiques sont impliquées dans la cuisson des aliments ; cependant, étant donné que la plupart des aliments peuvent être cuits en quelques minutes ou heures, il est peu probable que la cuisson des aliments soit plus lente que la corrosion du fer.
Les trois options suivantes décrivent toutes des réactions chimiques rapides. Le fer réagit rapidement avec l’acide chlorhydrique, l’allumage d’une allumette déclenche une réaction chimique très rapide pour produire une flamme, et le contact de métaux alcalins avec l’eau produit une réaction violente et explosive.
Le vieillissement chimique des roches est un processus lent qui se déroule sur de nombreuses années, et par conséquent, la réponse correcte est l’option E.
Lors d’une réaction chimique, les réactifs sont transformés en produits. Pendant la réaction, la concentration des réactifs diminue. La formation de produits entraîne une augmentation de leur concentration.
Pour suivre le processus d’une réaction, on peut observer plus précisément la variation de la concentration des réactifs et des produits. Considérons la réaction chimique suivante :
Lors de la réaction chimique, les concentrations de et diminuent à mesure que ces espèces chimiques réagissent. En revanche, la concentration de augmente au fur et à mesure de sa formation au cours de la réaction.
Le graphique ci-dessous montre la variation des concentrations de et lors de la réaction. L’axe horizontal correspond au temps, généralement donné en secondes. L’axe vertical représente la concentration de et , habituellement donnée en moles par litre.
Le point à partir duquel les concentrations du réactif et du produit ne changent plus nous indique que la réaction est terminée. D’après le graphique ci-dessus, la concentration du produit atteint son maximum en 50 secondes. À ce moment, la concentration du réactif est nulle et le réactif est donc entièrement consommé.
Exemple 2: Déterminer graphiquement le temps nécessaire pour qu’une réaction soit terminée
Le graphique ci-dessous indique la concentration d’oxygène gazeux produit lors de la réaction chimique suivante : Au bout de combien de temps la réaction est-elle terminée ?
- 90 secondes
- 120 secondes
- 100 secondes
- 80 secondes
- 20 secondes
Réponse
Le graphique montre la variation de la concentration d’oxygène gazeux lors de la décomposition du peroxyde d’hydrogène (). L’oxygène gazeux, le produit, a une concentration qui commence à zéro puis augmente.
Au point où la réaction est terminée, la concentration d’oxygène se stabilise et ne change plus. On peut voir sur le graphique que la valeur maximale de la concentration de l’oxygène gazeux est 1,00 mole par litre.
La concentration d’oxygène gazeux atteint une valeur de 1,00 mole par litre en 90 secondes. Par conséquent, la réaction prend 90 secondes pour se terminer. Ce raisonnement peut être utilisé pour déterminer que l’option A est la bonne réponse à cette question.
La vitesse à laquelle une réaction chimique a lieu est appelée « vitesse de réaction ». En général, la vitesse de réaction décrit comment une variable change dans un certain laps de temps. Cela peut être un changement de volume ou de masse par seconde ou par minute.
Cependant, on utilise le plus souvent la variation de la concentration au cours du temps.
Définition: Vitesse de réaction
La vitesse de réaction mesure la variation de la concentration en réactif ou produit par unité de temps.
Lorsqu’on ajoute de l’hydroxyde de sodium à du sulfate de cuivre bleu, une réaction chimique se produit. Lors de la réaction, la solution se décolore à mesure que le sulfate de sodium se forme. De plus, il se forme également un précipité bleu d’hydroxyde de cuivre. Cette réaction est illustrée dans le schéma ci-dessous.
En mesurant le temps mis pour que la solution devienne incolore, ou le temps mis pour que l’hydroxyde de cuivre apparaisse, on peut déterminer la vitesse de la réaction.
La vitesse de réaction peut être influencée par de nombreux facteurs. La modification de ces facteurs peut augmenter ou diminuer la vitesse de réaction. Les facteurs qui influencent la vitesse de réaction sont par exemple :
- nature des réactifs,
- surface de contact,
- concentration,
- température,
- catalyseurs.
Ici, nous allons nous concentrer sur la nature des réactifs et la surface de contact.
Il est important de noter que la variation de ces facteurs ne change pas la concentration finale des produits formés. Par contre, la variation de ces facteurs change le temps nécessaire pour que ces concentrations finales soient atteintes.
Exemple 3: Identifier l’énoncé qui définit le mieux la vitesse d’une réaction chimique
Lequel des énoncés suivants définit le mieux la vitesse d’une réaction chimique ?
- La mesure de la variation de la concentration en réactifs ou produits par unité de temps
- La différence de masse entre les réactifs et les produits
- La concentration finale des produits suite à une réaction chimique
- La vitesse à laquelle les particules doivent se déplacer pour entrer en collision avec succès
- Le moment où les concentrations des produits et des réactifs sont égales
Réponse
La vitesse d’une réaction nous donne des informations sur la vitesse à laquelle une réaction chimique se produit. Il y a plusieurs façons de mesurer et de décrire une vitesse de réaction ; cela dit, le plus souvent, on regarde la quantité de quelque chose qui change lors d’une certaine période.
D’après les cinq énoncés donnés, nous pouvons voir que les énoncés A, D et E incluent les mots « vitesse » ou « temps » dans leur description. L’énoncé correct est probablement un de ces trois énoncés.
Cependant, seul l’énoncé A décrit comment quelque chose change par unité de temps. Dans ce cas, il s’agit de la variation de la concentration en réactifs ou produits par unité de temps.
Ceci est une bonne description de la vitesse de réaction, car la concentration du réactif diminue à mesure que la réaction se déroule. Inversement, la concentration du produit augmentera au cours de la réaction.
Par conséquent, l’énoncé qui décrit le mieux la vitesse d’une réaction chimique est A.
La nature des réactifs peut influer sur la vitesse de réaction. La nature du réactif indique par exemple si le réactif est un composé ionique ou covalent.
Souvent, les réactions chimiques impliquant des réactifs ioniques sont beaucoup plus rapides que celles impliquant des molécules avec des liaisons covalentes. Les réactifs ioniques peuvent se décomposer en ions, qui peuvent réagir rapidement. Les molécules doivent rompre leurs liaisons et en former de nouvelles pour que la réaction chimique se produise, et cela prend plus de temps que la réaction entre des ions.
Par exemple, la réaction entre des composés ioniques tels que le chlorure de sodium et le nitrate d’argent est beaucoup plus rapide que la réaction entre l’oxygène gazeux et le monoxyde de carbone :
Un autre facteur qui peut influer sur la vitesse de la réaction est la surface de contact des réactifs.
Considérez la réaction entre les réactifs et . Dans les schémas ci-dessous, est représenté par les cercles violets et est représenté par les cercles verts.
Dans le premier schéma ci-dessous, est sous la forme d’un gros morceau solide. Ici, la surface de contact de est faible. Au départ, les molécules de ne peuvent réagir qu’avec les particules externes de . Ce n’est qu’après que les particules externes de ont réagi que les particules plus internes commencent à être exposées.
Cependant, si on coupe un morceau de de même masse en plus petits morceaux, alors on augmente sa surface de contact. Dans le schéma ci-dessous, on peut voir qu’un plus grand nombre de particules de sont directement disponibles pour réagir avec des molécules de . Par conséquent, la vitesse de réaction est plus élevée.
La surface de contact de peut encore être augmentée si on coupe le solide en morceaux encore plus petits, comme illustré dans le schéma ci-dessous. Maintenant, des particules de encore plus nombreuses sont disponibles pour réagir avec .
La vitesse de réaction est encore plus élevée, la plus rapide des trois expériences.
L’augmentation de la surface de contact permet donc d’augmenter la vitesse de réaction.
Exemple 4: Déterminer l’ordre correct des vitesses de différentes réactions
Le schéma ci-dessous montre quatre réactions différentes d’un échantillon de métal avec un acide. Comment classeriez-vous ces réactions de la plus lente à la plus rapide ? Supposez que la masse totale du métal, la concentration de l’acide et la température sont les mêmes pour toutes les réactions.
- A, C, B, D
- D, B, C, A
- C, B, A, D
- B, D, C, A
- D, A, C, B
Réponse
Dans chaque bécher se produit une réaction entre un métal et un acide. On nous dit que dans les quatre réactions, la masse totale de métal utilisé est la même. Cependant, on peut voir que chaque bécher contient un nombre différent de morceaux de métal. Autrement dit, la surface de contact du métal est différente dans chaque bécher.
La vitesse de réaction peut être influencée par la surface de contact. En général, plus la surface de contact est élevée, plus la réaction est rapide.
Une surface élevée signifie qu’il y a plus de métal disponible pour réagir. Si le métal est en un seul morceau, la surface de contact est faible et les atomes au centre ne peuvent pas réagir tant que les atomes externes n’ont pas encore réagi.
En regardant chaque bécher, nous pouvons voir que le métal dans D a la plus grande surface de contact, suivi de B, C puis A.
On peut donc s’attendre à ce que la vitesse de réaction soit la plus élevée pour D, suivie de B, C et A. La question, cependant, nous demande d’ordonner les réactions de la plus lente à la plus rapide. La bonne réponse est donc l’option (A) : A, C, B, D.
L’effet de la surface de contact sur la vitesse de réaction peut être démontré à l’aide de la réaction du fer avec l’acide chlorhydrique. En faisant réagir du fer avec de l’acide chlorhydrique et en mesurant la quantité produite de gaz dans un certain laps de temps, on peut déterminer la vitesse relative de la réaction.
On peut mettre en place une expérience comme illustré ci-dessous. Pour cette expérience, on remplit deux erlenmeyers avec la même quantité et la même concentration d’acide chlorhydrique. On place un ruban de fer dans l’un des erlenmeyers et de la limaille de fer dans l’autre. La masse de fer est la même dans les deux réactions, ainsi que la température. On utilise une seringue à gaz pour mesurer la quantité d’hydrogène gazeux produite par la réaction du fer avec l’acide chlorhydrique.
L’équation chimique de la réaction est
Pour chaque expérience, on mesure le volume de gaz produit sur des intervalles de 5 secondes et on place les données obtenues sur un graphique. Le graphique ci-dessous montre les résultats des deux expériences.
D’après le graphique, nous pouvons voir que la quantité finale de gaz produite dans chaque réaction est la même. Cependant, cette quantité de gaz est produite plus rapidement lorsque l’erlenmeyer contient de la limaille de fer. Donc, on peut dire que la réaction avec la limaille de fer est plus rapide.
Les résultats de l’expérience ne sont pas surprenants. La limaille de fer a une surface de contact beaucoup plus élevée que le ruban de fer. En général, plus la surface de contact est grande, plus la réaction est rapide.
Exemple 5: Identifier à partir d’un graphique dans quelle réaction la surface de contact d’un solide était la plus grande
Dans une expérience, un étudiant a ajouté un échantillon d’un solide dans une solution, ce qui a entraîné une réaction chimique. L’étudiant a répété l’expérience 5 fois, avec des surfaces de contact variées. Le graphique ci-dessous représente la variation de la concentration de l’un des produits au cours du temps pour chaque expérience. Dans quelle expérience la surface de contact du solide était-elle la plus grande ?
Réponse
La vitesse d’une réaction chimique est influencée par la surface de contact du réactif. Cependant, la concentration finale du produit ne change pas. On peut voir sur le graphique que dans les cinq expériences, le produit a une concentration finale de 1,50 mole par litre.
Graphiquement, une vitesse de réaction plus élevée correspondra à une pente plus élevée. Une pente plus élevée signifie que la concentration finale du produit est atteinte en un temps beaucoup plus court. Donc, nous pouvons voir sur le graphique que la courbe B correspond à la réaction la plus rapide et que la courbe D correspond à la réaction la plus lente.
Ensuite, nous devons déterminer de quelle façon la vitesse de réaction est influencée par la surface de contact. Plus la surface de contact est grande, plus le nombre de molécules disponibles pour réagir est élevé, et plus la réaction est rapide.
Si la surface de contact est petite, alors les molécules au centre ne peuvent pas réagir avant que les molécules externes aient réagi. Par conséquent, la réaction est plus lente.
Nous avons maintenant déterminé que la vitesse de réaction est la plus élevée lorsque la surface de contact est la plus élevée. Nous avons également déterminé à partir du graphique que la vitesse de réaction la plus élevée correspond à la courbe B.
Donc, c’est dans l’expérience B que la surface de contact du solide était la plus grande.
Points Clés
- Les réactions chimiques peuvent avoir lieu dans une large gamme d’échelles de temps.
- Lors d’une réaction chimique, la concentration des réactifs diminue, tandis que la concentration des produits augmente.
- La vitesse à laquelle une réaction chimique a lieu est appelée « vitesse de réaction ».
- La vitesse d’une réaction chimique peut être définie comme la variation des concentrations des réactifs et des produits par unité de temps.
- La vitesse de réaction peut être influencée par la nature des réactifs, la surface de contact des réactifs solides, la température, les concentrations et les catalyseurs.
- Les composés ioniques ont généralement une vitesse de réaction plus élevée que les molécules, qui ont des liaisons covalentes.
- Plus la surface de contact est grande, plus la réaction est rapide.
