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Vidéo de la leçon : Profils de réaction Chimie

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à lire les profils de réaction (diagrammes énergétiques) et à identifier et décrire les transferts d’énergie impliqués.

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Transcription de vidéo

Les réactions chimiques impliquent généralement la libération ou l’absorption d’énergie. Les profils de réaction sont des diagrammes qui indiquent les niveaux d’énergie à différentes étapes du déroulement d’une réaction. Dans cette vidéo, nous allons apprendre à lire les diagrammes énergétiques de réaction, et à identifier et décrire les transferts d’énergie impliqués.

Un profil de réaction ressemble à ceci. Il s’agit du profil de réaction de l’équation chimique suivante, où l’hydrogène gazeux et l’oxygène gazeux réagissent entre eux pour former de l’eau. L’axe des 𝑥 d’un profil de réaction représente la coordonnée de réaction ou l’avancement de la réaction. Plutôt que d’être liés à une unité de temps spécifique, nous pouvons généralement décomposer la coordonnée de réaction en un début, un milieu et une fin : quand il y a les réactifs, quand il y a un état de transition au milieu et quand il y a les produits.

L’axe des 𝑦 représente l’énergie des particules impliquées dans la réaction. Ainsi, la hauteur du segment sur la gauche nous donne l’énergie des réactifs. La hauteur du segment au milieu nous donne l’énergie de l’état de transition. Et la hauteur du segment sur la droite nous donne l’énergie des produits. Nous pouvons quantifier ces quantités d’énergie et utiliser des unités spécifiques. Mais pour nos besoins ici, nous examinerons principalement des quantités relatives d’énergie.

Une autre valeur à noter est le changement d’enthalpie de la réaction, souvent symbolisé par △𝐻. Cette valeur nous donne la variation de l’enthalpie ou la variation de l’énergie totale du début à la fin de la réaction. En d’autres termes, c’est la différence entre l’énergie des produits et l’énergie des réactifs. Dans la réaction que nous voyons ici, l’énergie diminue du début à la fin de la réaction. Cela signifie que le △𝐻 est négatif. Cela signifie également qu’il s’agit d’une réaction exothermique. Lorsqu’une réaction exothermique se produit, l’énergie perdue sera libérée dans son environnement, principalement sous forme de chaleur, mais souvent aussi sous d’autres formes d’énergie en moindres quantités.

Inversement, s’il y a une augmentation de l’énergie des réactifs vers les produits, cela signifie que le changement d’enthalpie aura une valeur positive. Cela signifie également qu’il s’agit d’une réaction endothermique car l’énergie a été absorbée du milieu réactionnel afin de donner plus d’énergie aux particules impliquées. Il convient également de prendre note que nous appelons cette valeur △𝐻 lorsque la réaction se déroule à pression constante. Si la réaction se déroule à un volume constant, par exemple dans un réservoir de propane, nous appelons cette valeur △𝐸 ou la variation de l’énergie interne du système.

La valeur suivante à noter est l’énergie d’activation. Nous trouvons cette énergie en prenant la différence entre l’énergie de l’état de transition et l’énergie des réactifs. Il s’agit de l’énergie nécessaire pour amener les réactifs à un état de transition extrêmement instable, avant qu’ils ne se transforment finalement en produits. Comme l’énergie d’activation est une grande quantité d’énergie qui doit être atteinte avant que la réaction puisse avancer, nous l’appelons parfois barrière énergétique. On peut penser à cela un peu comme à un ballon qui monte et descends une colline. Si nous poussons le ballon jusqu’au sommet de la colline en lui donnant de l’énergie, il peut alors rouler dans la vallée de l’autre côté.

Les formules chimiques des produits et des réactifs impliqués dans une équation chimique nous donnent une bonne idée de l’aspect de ces molécules. La structure de l’état de transition n’est cependant pas clairement indiquée. L’état de transition, également connu sous le nom de complexe activé, est un état de haute énergie extrêmement instable. C’est une étape intermédiaire nécessaire à l’obtention des produits, mais elle n’existe que pour une courte fraction de seconde. Etant donné leur courte période d’existence, nous n’avons pas besoin de trop nous concentrer sur ce à quoi ressemble spécifiquement un complexe d’activation. Mais pour que vous ayez une idée, cela pourrait ressembler à ceci : un agencement maladroit et instable de particules qui ressemblent à la fois à des produits et à des réactifs.

Étant donné que les molécules d’oxygène et d’hydrogène sont extrêmement peu susceptibles de se combiner spontanément de cette manière, il faut beaucoup d’énergie pour plier, tordre, rompre ou déformer les liaisons pour créer l’état de transition qui mène à la création des produits. En fait, la stabilité et l’énergie sont inversement liées. Si une particule a plus d’énergie, elle est plus susceptible de se déplacer et de changer, ce qui la rend moins stable. Inversement, les particules de faible énergie sont plus stables. Nous pouvons repenser à notre analogie avec le ballon sur une colline pour mieux comprendre cette relation. Un ballon avec peu énergie en bas de la colline est susceptible de rester dans cette zone-là. Mais la position d’un ballon avec beaucoup énergie en haut de la colline est instable, car il pourrait facilement rouler vers le bas pour trouver une nouvelle position en bas de la colline.

L’état de transition est donc un exemple de quelque chose de haute énergie et de faible stabilité. Une façon de fournir l’énergie nécessaire pour surmonter la barrière énergétique consiste à chauffer ou à enflammer les réactifs. Il faut noter que toutes les réactions n’ont pas besoin d’énergie supplémentaire pour avancer, car il y a suffisamment d’énergie dans le milieu réactionnel pour que certaines réactions se produisent spontanément.

Une autre façon de surmonter la barrière énergétique consiste à utiliser un catalyseur. Un catalyseur c’est un peu comme un assistant de réaction. Il organise les particules de manière particulière pour leur faciliter la réaction sans participer directement à la réaction. Un des catalyseurs de la réaction permettant de produire de l’eau que nous avons examinée ici est le palladium. Lorsque l’hydrogène gazeux atteint la surface du palladium, celui-ci affaiblit la liaison entre les atomes d’hydrogène. Cela permet à la réaction de se dérouler plus facilement puisque moins d’énergie est nécessaire pour surmonter la barrière énergétique. En conséquence, le profil de réaction ressemble à ceci, avec une énergie d’activation plus faible sous forme de pic central plus petit.

Maintenant que nous avons appris un peu sur les profils de réaction et comment les interpréter, faisons quelques exercices pratiques pour récapituler.

Les énergies chimiques de trois composés étiquetés de « a » à « c » sont indiquées sur la figure. Lequel de ces composés a l’énergie la plus élevée ? Lequel de ces composés a l’énergie la plus faible ? Lequel de ces composés est le plus stable ? Lequel de ces composés est le moins stable ?

Suivant le diagramme qui nous a été donné dans l’énoncé, on nous demande d’observer l’énergie et la stabilité des trois composés. L’axe du diagramme indique que l’énergie augmente lorsque nous passons d’une faible énergie en bas, à une haute énergie en haut. En gardant ceci en tête, nous pouvons voir que le composé marqué qui a l’énergie la plus élevée est « b », celui qui est le plus haut dans la figure, alors que celui qui a la plus faible énergie est « a », il est le plus bas dans le diagramme.

Dans la troisième et la quatrième question, on nous demande de trouver le plus stable et le moins stable parmi les trois choix. La stabilité n’est pas directement indiquée par le diagramme. Mais si nous connaissons la relation entre l’énergie et la stabilité, nous pouvons répondre à cette question. En fait, l’énergie et la stabilité sont inversement reliées. Les particules ayant plus d’énergie sont plus susceptibles de se déplacer et de changer, ce qui les rend moins stables. Les particules sans beaucoup d’énergie ne bougent pas autant, ce qui les rend plus susceptibles de rester comme elles sont ou de les rendre très stables. Donc, le choix avec l’énergie la plus élevée, le composé « b », est également le choix le moins stable. Inversement, le choix avec l’énergie la plus faible, le composé « a », est aussi le choix le plus stable.

Pour résumer nos réponses, nous pouvons dire que le composé avec l’énergie la plus élevée est le composé « b ». Le composé avec l’énergie la plus faible est le composé « a ». Le composé le plus stable est également le composé « a ». Et le composé qui est le moins stable est le composé « b ».

Le schéma du profil de réaction d’une réaction chimique en deux étapes est présenté ci-dessous. Dans la première étape, le composé « a » réagit pour former le composé « b », et dans la deuxième étape, le composé « b » réagit pour former le composé « c ». Quelle étape a l’énergie d’activation la plus élevée ? Quelle étape est une réaction exothermique ?

Le profil de réaction de cette réaction chimique en deux étapes est légèrement différent de profil de réaction le plus courant d’une réaction en une seule étape. Mais nous pouvons simplement la voir comme deux graphiques de réaction en une seule étape joints bout à bout. La première partie de la question nous demande laquelle de ces deux étapes a l’énergie d’activation la plus élevée. Pour trouver l’énergie d’activation, nous prenons la différence entre l’énergie des réactifs, et l’énergie de l’état de transition. Pour le profil de réaction, cela signifie trouver la différence verticale entre le point de départ « a » pour la première étape et « b » pour la deuxième étape, et le pic central de chaque étape respective. Si nous visualisons cela sur la figure, nous pouvons voir que la première étape a une énergie d’activation plus élevée que la deuxième étape. Notre réponse à la première partie de la question est donc que la première étape a la plus grande énergie d’activation.

La partie suivante de la question nous demande de trouver quelle étape est une réaction exothermique. Pour rappel, une réaction exothermique est une réaction où de l’énergie est libérée dans le milieu réactionnel. Cela signifie que la variation de l’enthalpie est négative et que l’énergie des produits sera inférieure à l’énergie des réactifs. Ainsi, lorsque nous passons de « a » à « b » lors de la première étape, et de « b » à « c » à la deuxième étape, quelle étape implique une libération d’énergie ? La réponse est : la deuxième étape. Nous pouvons voir que les produits « c » ont un niveau d’énergie inférieur à celui des réactifs « b ». Cela signifie qu’une partie de l’énergie chimique de « b » a été libérée dans le milieu réactionnel. Le contraire est vrai pour la première étape. Puisque l’énergie augmente à mesure que nous passons des réactifs aux produits, l’énergie est absorbée du milieu réactionnel, ce qui rend la réaction endothermique.

Donc, pour répondre à la deuxième partie de la question, on peut dire que la deuxième étape est la réaction exothermique. Dans l’ensemble, cette question repose sur notre compréhension des définitions de l’énergie d’activation et d’une réaction exothermique, ainsi que sur notre capacité à reconnaître les parties des profils de réaction qui s’appliquent à ces concepts. En fin de compte, nous pouvons dire que l’étape avec l’énergie d’activation la plus élevée est la première étape, et que l’étape qui représente une réaction exothermique est la deuxième étape.

Maintenant que nous nous sommes entraînés avec quelques exercices, passons en revue les points clés de la vidéo. Les profils de réaction donnent la quantité d’énergie dans le système à différentes étapes de la réaction. Ces étapes sont le début quand il y a des réactifs, le milieu quand il y a un état de transition, et la fin quand il y a des produits. Dans un profil de réaction, l’axe des 𝑥 vous donne l’avancement de la réaction et l’axe des 𝑦 vous donne le niveau d’énergie à l’étape correspondante de la réaction. Le changement d’enthalpie de la réaction (ou △𝐻), est la différence d’énergie totale entre les produits et les réactifs.

L’énergie d’activation (ou 𝐸a) est l’énergie qu’il est nécessaire d’ajouter aux réactifs pour atteindre l’état de transition de haute énergie. L’énergie et la stabilité sont inversement reliées, donc une particule de haute énergie a une faible stabilité et une particule de faible énergie a une haute stabilité. Enfin, l’énergie d’activation peut être réduite à l’aide d’un catalyseur.

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