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Vidéo de la leçon : Facteurs influançant la vitesse de réaction Chimie

Dans cette vidéo, nous allons voir comment prédire et expliquer les effets de la concentration, de la pression et de la surface de contact sur la vitesse d’une réaction, en utilisant la théorie des collisions.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons utiliser la théorie des collisions pour comprendre comment certains facteurs affectent la vitesse d’une réaction. Plus précisément, nous allons voir comment change la vitesse d’une réaction lorsqu’on change la concentration, la pression ou la surface de contact. Voyons tout d’abord ce que dit la théorie des collisions.

La vitesse d’une réaction chimique, on l’explique souvent grâce à la théorie des collisions. Premièrement, la théorie des collisions dit que les particules réactives, qu’elles soient des atomes, des molécules ou des ions, doivent entrer en collision pour réagir, mais que toutes les collisions n’entraînent pas une réaction. Deuxièmement, pour réagir quand elles entrent en collision, ces particules doivent posséder au minimum une certaine quantité d’énergie. Cette quantité minimale d’énergie, c’est ce qu’on appelle l’énergie d’activation. Troisièmement, les particules doivent être orientées ou positionnées de manière à favoriser la réaction.

Dans ces trois schémas, toutes les particules entrent en collision. Dans le premier schéma, les particules sont correctement orientées, mais pas dans le deuxième et le troisième schéma. Si les particules n’ont pas assez d’énergie quand elles entrent en collision, elles ne réagissent pas. Si elles entrent en collision avec le minimum d’énergie nécessaire, l’énergie d’activation, des liaisons vont se casser et de nouvelles liaisons vont se former. On appelle cela une collision efficace. Une collision efficace est une collision qui entraîne une réaction car les trois conditions requises pour une réaction ont été remplies. Maintenant que nous avons résumé ce qu’est la théorie des collisions, examinons les facteurs qui influencent la vitesse d’une réaction chimique.

Il y a cinq facteurs principaux qui influencent la vitesse d’une réaction : la température des réactifs, la concentration des réactifs (qu’on utilise souvent pour les réactifs en solution), la pression des réactifs (qu’on utilise souvent quand ce sont des gaz qui réagissent), la surface de contact (dont on parle quand l’un des réactifs est à l’état solide), et les catalyseurs. Il est important de noter que la vitesse d’une réaction dépend de la fréquence des collisions.

La fréquence des collisions n’est pas la même chose que le nombre de collisions. La fréquence des collisions, c’est le nombre de collisions par unité de temps, par seconde en général. Donc, quand on parle de facteurs qui augmentent ou diminuent la vitesse d’une réaction, on parle en fait de facteurs qui influencent la fréquence des collisions, et non pas le nombre de collisions. Dans cette vidéo, nous allons examiner l’influence de la concentration, de la pression et de la surface de contact sur la fréquence des collisions et donc la vitesse d’une réaction. Avant de rentrer dans les détails, regardons rapidement comment la température et les catalyseurs influent sur la vitesse d’une réaction.

La température, elle est proportionnelle à l’énergie cinétique. Plus la température des particules réactives est élevée, plus ces particules possèdent d’énergie cinétique, plus elles se déplacent rapidement et plus les collisions sont vigoureuses. Cela augmente la fréquence des collisions, ce qui augmente le nombre de collisions effectives, ce qui augmente la vitesse de la réaction. Voyons rapidement l’effet des catalyseurs. La présence d’un catalyseur adéquat diminue l’énergie d’activation nécessaire pour que la réaction se produise, ce qui aide à augmenter le nombre de collisions efficaces, et donc à augmenter la vitesse d’une réaction.

Nous venons donc de voir très brièvement l’effet de la température et d’un catalyseur, mais concentrons-nous maintenant sur l’objet de cette leçon : l’effet de la concentration, de la pression et de la surface de contact.

Commençons par la concentration. Quand on change la concentration des réactifs, cela change la vitesse de la réaction. On peut définir la concentration de plusieurs manières. C’est la quantité d’une substance, qu’on appelle généralement soluté, dans un volume donné de solvant, de solution ou d’espace. Considérons une faible concentration et une forte concentration de particules de soluté dans un liquide. Quand nous parlerons de la pression tout à l’heure, nous regarderons la quantité de substance dans un espace donné mais ici, nous parlons de solutions.

Nous avons donc simplifié notre définition de la concentration. Avec la faible concentration, la quantité de soluté est très petite par rapport au volume total de solvant ou de solution. Avec la forte concentration, la quantité de soluté est très grande par rapport au volume total de solvant ou de solution. Voyons. Les particules en solution se déplacent toujours de manière aléatoire. Dans une solution à faible concentration, la fréquence des collisions est faible. Et seulement certaines collisions sont efficaces et entraînent la formation de produit. Le produit est dessiné avec des cercles pleins pour qu’on puisse l’identifier facilement. Donc, dans une solution dont la concentration est faible, la fréquence des collisions efficaces est faible. Et donc, la réaction est lente.

Au contraire, dans une solution de forte concentration, comme il y a plus de particules dans la solution, ces particules sont plus proches les unes des autres et elles ont une probabilité plus élevée de collision quand elles se déplacent de manière aléatoire. La fréquence des collisions est donc plus élevée. Certaines de ces collisions seront efficaces, et il y a donc une fréquence plus élevée de collisions efficaces. Et cela conduit à une réaction plus rapide. Pour résumer tout ça, on peut dire que l’augmentation de la concentration des substances réactives dans une solution augmente la vitesse de la réaction.

Voyons maintenant comment la variation de la pression influe sur la vitesse de réaction. Quand on parle de pression dans le contexte des vitesses de réaction, on se réfère généralement aux particules de gaz. La définition formelle de la pression est liée à la force par unité de surface que les gaz exercent sur une surface. Mais on peut aussi considérer que la pression est liée à la concentration, dans le sens où elle se réfère à la quantité de particules de gaz dans un volume donné d’espace. Si on met le même nombre de particules de gaz réactif dans deux conteneurs de tailles différentes, l’un avec un grand volume et l’autre avec un volume plus petit, la pression des particules de gaz dans le récipient à grand volume sera faible. Et la pression des particules de gaz dans le récipient à plus petit volume sera plus élevée.

C’est parce qu’il y a la même quantité de particules de gaz dans chaque récipient, mais que chaque récipient a un volume différent. Dans le premier schéma, la densité des particules de gaz est plus faible. Les particules ont plus d’espace pour se déplacer. Et dans le deuxième schéma, la densité des particules de gaz est plus élevée et les particules ont donc moins d’espace pour se déplacer. Les particules se déplacent de manière aléatoire, et certaines d’entre elles entreront en collision. Dans le système à pression faible, il y a une faible fréquence de collisions avec seulement certaines de ces particules entrant en collision efficacement, comme le montrent les cercles pleins. Autrement dit, la pression plus faible entraîne une réaction plus lente.

Dans le conteneur de petit volume avec la même quantité de particules, il y a une fréquence de collision plus élevée. Les particules ont plus de chances d’entrer en collision, en raison du volume réduit dans lequel elles peuvent se déplacer. Certaines de ces collisions entraînent des collisions efficaces. Et à cette pression plus élevée, il y a une fréquence plus élevée de collisions efficaces, ce qui signifie que la réaction est plus rapide. Pour résumer, plus la pression est élevée, plus la réaction est rapide. Disons que l’objet hachuré en noir est un piston. Si on on pousse le piston vers le bas pour finir avec un petit volume dans le schéma de droite, la pression augmente. Cette action spécifique d’augmentation de la pression accélère la réaction.

Un exemple de situation réelle dans laquelle une pression élevée de gaz n’est pas souhaitable, mais au contraire dangereuse, c’est celui de l’industrie minière. Lorsque le niveau de méthane ou, autrement dit, la pression du méthane dans les mines atteint un certain niveau, le méthane peut s’enflammer s’il y a une source de chaleur, et même exploser. Cela constitue un réel danger pour les mineurs. La pression du méthane, liée à la concentration de méthane, doit être surveillée de près pour assurer la sécurité des travailleurs. Nous savons maintenant comment la modification de la concentration ou de la pression peut influer sur la vitesse d’une réaction. Qu’en est-il de l’influence de la surface de contact d’un réactif solide ?

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi le petit bois brûle plus vite que les grosses bûches ? Outre les différence dues à la sécheresse du bois et les huiles inflammables contenues dans le bois, cela s’explique par la surface de contact. Le petit bois a une grande surface exposée à l’oxygène atmosphérique, ce qui signifie qu’il brûlera beaucoup plus rapidement qu’une grosse bûche en réagissant avec l’oxygène de l’air. La surface de contact peut être définie comme l’aire totale de toutes les surfaces d’un solide. Pour faire simple, prenons un cube. Sa surface totale correspond à six fois la longueur fois la largeur. On utilise le nombre six pour tenir compte des six côtés du cube. Imaginons que ce cube est un morceau de métal qui va réagir avec l’oxygène de l’air. Disons que son côté a une valeur de quatre unités.

En faisant quatre fois quatre fois six, on obtient une aire totale de 96 unités au carré pour ce cube. Imaginons maintenant qu’on découpe ce morceau de métal en plus petits morceaux, comme on le voit sur la figure. On se retrouve avec quatre petits cubes venant de la partie supérieure et quatre petit cubes venant de la partie inférieure. La longueur et la largeur de chaque côté des petits cubes sont donc de deux unités. Si on calcule l’aire totale des huit petits cubes, on prend huit, le nombre de petits cubes, fois six, pour les six faces de chaque cube, fois deux fois deux pour la longueur et largeur des faces de chaque cube, ce qui donne pour les huit cubes ensemble une aire totale de 192 unités au carré.

En coupant le cube de métal en plus petits morceaux, on a donc fortement augmenté l’aire totale. Autrement dit, de plus petits morceaux du même volume donnent une plus grande surface de contact. Vérifions que le volume total est bien le même dans les deux cas. On peut calculer le volume du grand cube en prenant la longueur fois la largeur fois la hauteur, et faire la même chose avec les petits cubes, sauf qu’on multiplie par huit car il y a huit petits cubes au total. Pour le grand cube, on fait quatre fois quatre fois quatre, et pour les petits cubes, on fait deux fois deux fois deux fois huit. Et on obtient le même volume final pour les deux calculs. C’est logique. On n’a pas perdu de métal d’origine et on n’en a pas ajouté. On a simplement découpé le gros morceau en plus petits morceaux.

On peut donc dire que de plus petits morceaux du même volume total donnent une plus grande surface de contact. Mais quelle est l’influence de tout ça sur la vitesse de réaction ? Reprenons le même morceau de métal, et imaginons qu’on le coupe en deux et qu’on regarde la moitié arrière. On peut alors faire la distinction entre les particules de surface, en orange, et particules internes, en bleu. Les particules de surface sont toutes exposées et disponibles pour réagir rapidement et facilement avec d’autres particules qui entrent en contact avec elles, comme par exemple des molécules d’oxygène dans l’air qui réagissent avec les particules de surface d’un métal.

Les particules internes sont temporairement indisponibles pour réagir, puisqu’elles sont encore couvertes de particules de surface. La vitesse de réaction dépend donc principalement des particules exposées et disponibles pour réagir. Il est donc logique que de plus petits morceaux d’un matériau donnent une plus grande surface de contact, et qu’il y a donc un plus grand nombre de particules de surface, qui sont exposées à une interaction avec un autre réactif. Et donc, la réaction est plus rapide. Pour résumer tout ça, l’augmentation de la surface d’un solide, en découpant ce solide en plus petits morceaux, augmente la vitesse d’une réaction. Dans la vie réelle, on ne peut pas trouver ou former tous les réactifs solides sous la forme de jolis petits cubes bien nets, comme il l’est possible avec les métaux.

Par exemple, le soufre, quand il est stocké dans un récipient, forme souvent de gros morceaux irréguliers. Ces gros morceaux ont une faible surface de contact. En broyant les morceaux à l’aide d’un pilon et d’un mortier, on peut former une poudre fine. Les tout petits morceaux de poudre ont une très grande aire totale, ce qui est parfait pour effectuer une réaction rapide. Il est important de noter que le changement de la surface de contact d’un réactif solide n’affecte pas l’énergie avec laquelle une réaction se produit, mais uniquement la vitesse de cette réaction.

Pour prendre un exemple de danger potentiel d’une substance à très grande surface de contact, on peut penser aux fines poudres en suspension dans l’air rejetées par les minoteries. Ces particules sont extrêmement petites et elles ont donc une très grande surface de contact. Si elles sont surchauffées ou chargées électrostatiquement, ces particules peuvent subir une réaction très rapide avec l’oxygène de l’air. Elles peuvent prendre feu et même causer des explosions.

Alors, résumons tout ce que nous avons appris. Nous avons appris que les facteurs qui influencent la vitesse d’une réaction comprennent la température, la concentration, la pression, la surface de contact et les catalyseurs. Plus précisément, nous avons étudié l’effet de la concentration, de la pression et de la surface de contact.

Nous avons vu que lorsqu’on augmente la concentration d’un soluté dans une solution, la pression des gaz dans un récipient, ou encore la surface de contact d’un réactif solide en le divisant en plus petits morceaux, on augmente la fréquence des collisions, c’est-à-dire qu’on augmente le nombre de particules réactives qui entrent en collision par seconde. Cela augmente la fréquence des collisions efficaces, c’est-à-dire le nombre de collisions par seconde qui entraînent une réaction. Et cela mène à une augmentation de la vitesse de réaction, la réaction est plus rapide.

Et à l’opposé, si on diminue la concentration, la pression ou la surface de contact, cela mène à une diminution de la vitesse d’une réaction.

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