Video Transcript
Dans cette vidéo, nous allons découvrir ce qu’est la vitesse d’une réaction chimique. Nous définirons une vitesse de réaction, apprendrons comment elle est mesurée et comprendrons l’influence de différents facteurs.
Au cours d’une réaction chimique, une ou plusieurs substances, les réactifs, sont converties en de nouvelles substances, appelées produits. Par exemple, l’hydrogène et l’oxygène gazeux réagissent pour former une nouvelle substance, l’eau. Des réactions chimiques se produisent constamment tout autour de nous. Par exemple, il y a la réaction de combustion qui se produit dans nos voitures. Le carburant est brûlé pour fournir de l’énergie au véhicule. Il y a également beaucoup de réactions chimiques mises en jeu dans la préparation des aliments, comme la réaction de Maillard, responsable du brunissement du pain et d’autres aliments.
Ce sont aussi des réactions chimiques qui sont impliquées lorsqu’une surface se décolore, qu’un métal rouille ou que le diamant se forme. Des réactions chimiques se produisent également tout le temps à l’intérieur de notre corps. Nos cellules subissent continuellement une respiration cellulaire, qui convertit le glucose en énergie. Toutes ces réactions chimiques ne se produisent pas à la même vitesse. Certains sont si rapides qu’on ne peut pas mesurer leur durée avec un chronomètre. Certaines réactions prennent des minutes ou des heures. D’autres durent des jours, voire des semaines. Certaines réactions sont encore plus lentes et se déroulent sur des centaines d’années. Comme les réactions chimiques se produisent sur différentes échelles de temps, on aimerait pouvoir mesurer leur vitesse. Pour ce faire, il faut comprendre ce qui se passe avec les réactifs et les produits lors de la réaction.
Soit une réaction chimique où deux réactifs se combinent pour former un produit. Les réactifs sont placés dans un bécher. La quantité initiale de réactif peut être exprimée suivant sa concentration, généralement en moles par litre. Au départ, il n’y pas de produit car rien n’a encore été formé. Mais les particules de réactifs vont commencer à entrer en collision les unes avec les autres, ce qui permet de former le produit. La concentration du produit augmente au fur et à mesure qu’il se forme. Et les concentrations des réactifs diminuent à mesure qu’ils s’épuisent. Finalement, la concentration des produits cesse d’évoluer avec le temps. Cela signifie que la réaction est terminée. On peut voir que cette réaction a pris environ 50 secondes.
On aimerait trouver un moyen de mesurer la vitesse de cette réaction chimique. En fait, on mesure la vitesse de notre réaction de la même manière que celle d’une voiture. On détermine la vitesse d’une voiture en mesurant la variation de distance par unité de temps. La vitesse de notre réaction chimique est également la variation d’une donnée par unité de temps. Ce qui varie au cours d’une réaction chimique n’est pas une distance mais les quantités de produits et de réactifs. Cette quantité peut être une masse, un volume ou une autre mesure. Mais la plus utilisée est probablement la concentration, comme observé sur ce graphique. La vitesse d’une réaction chimique est donc la variation de la concentration des réactifs et des produits par unité de temps.
On peut mesurer une vitesse de réaction en mesurant la disparition d’un réactif ou la formation d’un produit dans le temps. Soit une solution de sulfate de cuivre, de couleur bleu vif. On ajoute de l’hydroxyde de sodium au sulfate de cuivre. Après un certain temps, la solution devient incolore et un solide se forme au fond du bécher : c’est de l’hydroxyde de cuivre. Il existe deux façons de mesurer la vitesse de cette réaction car le réactif, le sulfate de cuivre, est coloré mais le produit ne l’est pas. On mesure facilement la disparition du réactif en mesurant le temps nécessaire pour que la solution devienne incolore. On peut également mesurer la vitesse de réaction en déterminant la quantité d’hydroxyde de cuivre formée pendant une durée définie.
Plusieurs facteurs affectent la vitesse de réaction, tels que la nature des réactifs, leur surface, leur concentration, la température de la réaction et l’utilisation de catalyseurs. Dans cette vidéo, nous nous concentrerons sur l’influence de la nature et de la surface des réactifs sur la vitesse de réaction. Commençons par examiner la nature des réactifs. Plus précisément, c’est le type de liaisons présentes dans le composé qui affecte la vitesse de réaction. Les composés à liaison ionique, comme le chlorure de sodium, peuvent se dissocier en ions chargées positivement et négativement. Ces ions peuvent réagir rapidement. On peut comparer ces réactions avec celles impliquant des composés à liaison covalente, comme l’hydrogène ou l’oxygène. Ici, les liaisons entre les atomes des molécules de réactif doivent se rompre afin que d’autres liaisons puissent se former entre les atomes des molécules de produit.
La création et la rupture de liaisons prend du temps. Ainsi, les réactions entre les composés constitués de liaisons covalentes sont souvent beaucoup plus lentes que les réactions entre les composés à liaisons ioniques. La surface affecte également la vitesse de réaction. Dans un solide, seules les particules de la surface peuvent réagir. Les particules au cœur du solide ne peuvent pas réagir avant les particules de surface. Soient deux échantillons qui contiennent la même quantité d’un solide. Dans un échantillon, le solide est en une seule pièce, mais dans l’autre, il est divisé en morceaux plus petits. Lorsque le solide est divisé, il montre une surface plus grande et plus de particules sont exposées et disponibles pour réagir que lorsque le solide est en un gros bloc. Ainsi, la réaction se produira plus rapidement lorsque le solide est divisé en petits morceaux. En d’autres termes, plus la surface est grande, plus la réaction est rapide.
On peut observer ce phénomène dans l’expérience des limailles de fer. Dans cette expérience, on dispose de deux fioles. On place dans la première un morceau de ruban de fer. Dans l’autre, on place la même masse de fer, mais sous la forme de limailles de fer. De l’acide chlorhydrique est ajouté dans chaque fiole, qui sont ensuite bouchées. Le fer et l’acide chlorhydrique réagissent pour former du chlorure de fer et de l’hydrogène. L’hydrogène est un gaz. Au fur et à mesure de sa formation, des bulles apparaissent dans les fioles. Cet hydrogène peut être collecté dans une seringue à gaz. Et on peut tracer le volume d’hydrogène gazeux produit en fonction du temps. Les deux fioles, contenant les limailles de fer et le ruban de fer, produisent la même quantité d’hydrogène gazeux. C’est logique car on a placé la même masse de fer dans chaque ballon.
En comparant les deux droites, on constate qu’elles atteignent la quantité maximale d’hydrogène gazeux à des temps différents. La fiole contenant les limailles atteint la quantité maximale beaucoup plus rapidement que la fiole avec le ruban. Ainsi, la réaction s’est produite plus rapidement avec les limailles qu’avec le ruban. Nous savons maintenant ce qu’est une vitesse de réaction. Examinons donc quelques problèmes avant de conclure cette vidéo.
Lequel des énoncés suivants définit-il le mieux la vitesse d’une réaction chimique ? (A) La mesure de la variation de la concentration des réactifs ou des produits par unité de temps. (B) La différence de masse entre les réactifs et les produits. (C) La concentration finale des produits à la fin d’une réaction chimique. (D) La vitesse à laquelle les particules doivent se déplacer pour entrer en collision avec succès. (E) Le moment auquel la concentration des produits est égale à celle des réactifs.
La vitesse d’une réaction chimique nous indique si la réaction sera rapide ou lente. Pour définir cette quantité, il faut savoir qu’en général, une vitesse est la variation d’une quantité par unité de temps. Par exemple, la vitesse d’une voiture est la variation de distance par unité de temps. Mais lors d’une réaction chimique, ce n’est pas la distance qui varie. Ce sont les quantités de réactifs et de produits. Au fil du temps, les quantités de réactifs diminuent à mesure qu’ils sont consommés. Et les quantités de produits augmentent à mesure qu’ils se forment. Ces quantités peuvent être mesurées en volume, en masse ou en concentration. Mais la mesure la plus courante est probablement celle de la concentration des réactifs et des produits. Compte tenu de cette discussion, la réponse (A) semble définir le mieux la vitesse d’une réaction chimique : la mesure de la variation de la concentration des réactifs ou des produits par unité de temps.
Le graphique ci-dessous représente la concentration en oxygène gazeux produit lors de la réaction chimique suivante : deux H2O2 réagissent pour former deux H2O plus O2. Combien de temps faut-il pour que cette réaction soit complète ? (A) 90 secondes, (B) 120 secondes, (C) 80 secondes, (D) 100 secondes, (E) 20 secondes.
Dans cette réaction, le peroxyde d’hydrogène se décompose pour former de l’eau et de l’oxygène gazeux. La concentration d’oxygène gazeux est représentée graphiquement en fonction du temps. Nous devons déterminer le temps nécessaire pour que cette réaction arrive à son terme. Au début de la réaction, la concentration d’oxygène est nulle car aucune molécule d’oxygène gazeux n’a encore été formée. La concentration augmente ensuite progressivement pour se stabiliser à une valeur d’une mole par litre. Lorsque la concentration des réactifs et des produits cesse de varier, cela signifie que la réaction est terminée. Le graphique montre que la concentration en oxygène a cessé d’évoluer après 90 secondes. Donc, la réponse (A) est la bonne réponse. Il a fallu 90 secondes pour que cette réaction se termine.
Au cours d’une expérience, un étudiant ajoute un échantillon solide à une solution, provoquant une réaction chimique. L’élève répète l’expérience cinq fois, mais en modifiant la surface du solide. Le graphique ci-dessous indique l’évolution de la concentration de l’un des produits au fil du temps pour chaque expérience. Dans quelle expérience la surface du solide est-elle la plus grande ?
Dans cette expérience, un solide est ajouté à une solution et ce solide réagit. La concentration d’un des produits de cette réaction est représentée en fonction du temps. Chacune des droites de ce graphique représente la même réaction avec la même masse de solide. La seule différence est la surface du solide. Nous devons déterminer laquelle de ces droites représente l’expérience avec la plus grande surface de solide. Dans un solide, seules les particules de surface peuvent réagir. Si la surface augmente, plus de particules solides sont exposées et peuvent ainsi réagir. Cela signifie donc que la réaction produit d’autant plus rapidement que la surface est grande. Ainsi, l’expérience où le solide a la plus grande surface est aussi la réaction la plus rapide.
En observant ce graphique, on constate que chaque droite atteint la même valeur maximale pour la concentration du produit, soit environ 1,5 mole par litre. Mais chaque droite atteint 1,5 moles par litre à des temps différent. La droite rouge y arrive la première. C’est la droite rose qui met le plus de temps à atteindre cette valeur. En d’autres termes, la droite rouge représente l’expérience où la réaction a été la plus rapide et la droite rose la plus lente. Comme nous l’avons dit précédemment, la réaction la plus rapide correspond au solide avec la plus grande surface. La droite rouge représente donc l’expérience où la surface du solide était la plus grande, ce qui fait de la réponse (B) la bonne réponse.
Maintenant, concluons cette vidéo avec les points les plus importants. Les réactions chimiques peuvent se produire sur des échelles de temps variables. Au cours d’une réaction, les concentrations des réactifs diminuent avec le temps, alors que celles des produits augmentent. La vitesse d’une réaction chimique est la variation de la concentration des réactifs et des produits par unité de temps. La vitesse d’une réaction chimique est affectée par la nature des réactifs, leur surface de contact, leur concentration, la température de la réaction et les catalyseurs.
