Transcription de vidéo
Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire la rapidité ou la lenteur des réactions et examiner des phénomènes tels que la température ainsi que leur incidence sur la vitesse de réaction.
Toutes les réactions chimiques commencent avec des réactifs et se terminent avec des produits. Toutes les réactions chimiques impliquent au moins quelques changements dans les liaisons chimiques et les positions des atomes, des ions, des électrons et des noyaux. Le monde moderne dépend d’un grand nombre de réactions chimiques qui se produisent réellement. Mais ce qui est également important, c’est la rapidité ou la lenteur de ces réactions.
Et parfois, même si une réaction peut se produire, nous ne voulons pas nécessairement qu’elle se produise. Par exemple, il est préférable que la rouille se produise très lentement parce que nous voulons conserver des parties du fer, car sa solidité nous a permis de faire des choses très utiles. D’autre part, nos corps utilisent des enzymes pour dégrader les toxines incroyablement rapidement. Si ces toxines ne sont pas dégradées assez rapidement, nous pouvons tomber très malades ou même mourir. Mais heureusement, la chimie est à certains égards très fiable et sûre.
Lorsque les réactifs se transforment en produits, nous pouvons voir beaucoup de choses changer, et nous pouvons en mesurer encore plus. Mais certaines d’entre elles sont plus utiles que d’autres. Par exemple, si nous voulions mesurer la rapidité à laquelle vous pouvez manger une portion de frites, nous pourrions le faire de plusieurs façons. Eh bien, le moyen le plus simple serait simplement de chronométrer le temps nécessaire pour manger la totalité de la portion. Ou nous pourrions l’exprimer en comptant le nombre de frites que nous mangeons en même temps. Et puis nous pourrions simplifier ce nombre pour voir combien de temps cela prend en moyenne pour manger une frite. Et une autre façon de le faire serait de regarder la masse de la portion et de voir quelle est la masse que nous consommons par seconde.
Lorsque nous calculons des vitesses comme cela et les simplifions, nous obtenons une vitesse moyenne, qui est égale à la variation de la masse ou de la quantité généralement divisée par le temps que cela a mis. Nous pouvons utiliser cette vitesse moyenne pour comparer un repas à un autre. Et ici, nous pouvons tracer comment la quantité évolue au fil du temps. Nous pouvons faire exactement la même chose avec la masse, bien qu’elles ne correspondent pas nécessairement parce qu’une frite n’a pas nécessairement la même masse qu’une autre. Mais de toute façon, les changements de quantité et de masse semblent être un bon moyen d’évaluer une vitesse. Au lieu de cela, nous pourrions essayer de mesurer comment l’odeur a diminué avec le temps ou même prendre des photos de l’assiette et voir combien de jaune il y avait. Nous pourrions même essayer d’évaluer la faim restante.
Certains de ces indicateurs sont très utiles et nous permettront de comparer quantitativement un repas à un autre. Mais d’autres sont assez délicats et posent des problèmes difficiles, voire impossibles à résoudre. Cela aiderait si nous n’avions pas à compter sur quelque chose d’aussi personnel que la faim ou d’aussi difficile à mesurer que l’odeur. C’est pourquoi nous verrons le plus souvent des vitesses de réaction exprimées comme des changements de masse dans le temps ou des changements de quantité dans le temps. Certaines réactions chimiques peuvent être incroyablement lentes, comme la transformation de la matière organique en charbon et en pétrole. Ou elles peuvent être assez rapides pour que nous puissions les observer à une vitesse raisonnable, comme une bougie allumée. Ou elles peuvent être si rapides ; elles sont une explosion, comme la détonation d’un ballon d’hydrogène. Mais qu’entendons-nous vraiment par « vitesse d’une réaction spécifique » ?
Imaginons que nous brûlions du charbon. Dans des circonstances idéales, la réaction du charbon et de l’oxygène dans l’air produit du dioxyde de carbone. Nous pouvons évaluer la vitesse de cette réaction en surveillant les changements de masse ou de quantité. Et dans ce cas, nous voyons une réduction de la masse de charbon de trois grammes par seconde. Si tel était le cas, alors nous consommerions également huit grammes d’oxygène par seconde, bien que je ne vais pas entrer dans les détails de ce calcul dans cette vidéo. Au lieu de cela, nous examinons la relation entre les nombres.
Si la réaction marchait parfaitement et que nous pouvions mesurer avec précision, nous mesurerions également que nous produisions 11 grammes de dioxyde de carbone par seconde. La loi de conservation de la masse nous rappelle que la masse d’un système fermé ne peut pas changer si nous n’avons affaire qu’à des réactions chimiques. Il est donc logique que la vitesse à laquelle la masse des réactifs diminue soit égale à la vitesse à laquelle la masse des produits augmente. Maintenant, qu’en est-il de la quantité en moles ? Ici, pour plus de simplicité, je vais supposer que le charbon est du carbone pur, et je vais utiliser les masses molaires arrondies pour les éléments afin de calculer les quantités en moles.
Trois grammes de carbone est équivalent à 0,25 moles de carbone. Donc, si nous consommons trois grammes de carbone par seconde, nous consommons 0,25 mole de carbone par seconde. Huit grammes de molécules d’O2 est aussi équivalent à 0,25 mole de molécules d’O2. Donc, consommer huit grammes par seconde d’O2 équivaut à consommer 0,25 mole par seconde d’O2. Et nous pouvons faire la même chose pour notre produit de dioxyde de carbone et démontrer que produire 11 grammes de dioxyde de carbone par seconde équivaut à produire 0,25 mole de dioxyde de carbone par seconde. Utiliser la quantité plutôt que la masse procure certains avantages car nous pouvons relier la vitesse de production ou de consommation d’un composant à son coefficient stœchiométrique et à ses rapports molaires à d’autres substances.
Nous pourrions exprimer le rapport ou les vitesses comme cela, en faisant attention si la vitesse est négative, auquel cas nous consommons, ou positive, auquel cas nous produisons. Mais la convention est d’avoir juste les coefficients stœchiométriques dans un rapport. Et rappelez-vous que les vitesses pour les réactifs vont être négatives et les vitesses pour les produits vont être positives. Dans cette situation, il semble plus utile de parler de vitesses en moles par seconde. Mais dans l’industrie, parler de masse par temps est souvent plus utile. Nous pourrions également faire une réaction similaire, où au lieu de produire du dioxyde de carbone, nous brûlons le charbon de manière inefficace pour produire du monoxyde de carbone. Si cela se passe exactement comme prévu, nous aurons besoin de deux fois plus de carbone qu’auparavant si nous utilisons la même quantité d’oxygène.
Tout comme avec les réactions régulières qui vont jusqu’à l’achèvement, si nous avons un composant que nous fournissons à une certaine vitesse, nous pouvons le considérer comme le réactif limitant. Donc, ici, nous ne consommons que huit grammes d’oxygène par seconde. Nous allons donc utiliser six grammes de carbone par seconde. Et par conséquent, nous devons produire 14 grammes de monoxyde de carbone à chaque seconde. Et si nous convertissons les vitesses en masse en vitesses en moles, c’est ce que nous obtenons. Si vous regardez de près, vous devriez pouvoir voir un motif. Nous pouvons voir que la vitesse à laquelle nous consommons un réactif ou produisons un produit est proportionnelle à sa stœchiométrie. Cela a du sens puisque si nous utilisons deux fois plus de carbone par réaction, nous consommerons le carbone deux fois plus vite.
Mais tout cela est basé sur ce que nous pouvons mesurer, qu’est-ce que nous comprenons réellement sur ce qui se passe et comment pouvons-nous utiliser ces connaissances à notre avantage. La première question à laquelle nous devons répondre au sujet des réactions et de la vitesse de réaction est la suivante : pourquoi les réactions se produisent-elles en premier lieu ? La théorie de la collision suggère que les réactions ne se produisent que lorsque les particules entrent en collision les unes avec les autres. Si les particules ne se touchent jamais, elles ne peuvent pas réagir. Mais toutes les collisions ne conduiront pas toutes à une réaction réussie. En fait, l’air autour de nous est rempli de particules qui entrent en collision et ne réagissent pas. L’autre composante nécessaire est qu’il y ait suffisamment d’énergie dans la collision pour rompre les liaisons et réorganiser les particules.
Mais même alors, si la collision a la bonne énergie, elle peut ne pas être réussie car les particules ne sont pas disposées correctement. Si elles ne sont pas dans la bonne orientation, l’énergie ne sera pas transférée pour rompre les bonnes liaisons. Cela signifie que ce n’est que lorsque des particules entrent en collision avec suffisamment d’énergie et la bonne orientation qu’une réaction se produit. L’énergie minimale nécessaire pour qu’une réaction se produise est connue sous le nom d’énergie d’activation. Bien qu’elle ne soit pas mesurée de cette manière, nous pouvons considérer l’énergie d’activation comme l’énergie nécessaire pour rompre les bonnes liaisons qui permettent aux nouvelles liaisons des produits de se former. Forts de ces informations, voyons comment nous pouvons les utiliser en modifiant les vitesses de réaction.
La théorie des collisions suggère que certaines choses pourraient être différentes pour accélérer la réaction. Si nous pouvons trouver un moyen de rendre les collisions plus fréquentes, la réaction devrait être plus rapide. Et si nous pouvons trouver un moyen d’augmenter l’énergie de ces collisions, la proportion de collisions réussies devrait augmenter. La vitesse de réaction devrait donc augmenter. Et enfin, si nous pouvons trouver un moyen de le faire, si nous pouvons réduire l’énergie d’activation, alors nous augmentons la proportion de collisions qui seront réussies. Dans cette vidéo, je ne vais examiner que l’effet de la température sur la vitesse de réaction, mais je vais vous en dire d’autres.
Nous pouvons prendre l’exemple typique d’un gaz. Si nous chauffons le gaz, les particules se déplaceront plus rapidement. Plus les particules se déplacent rapidement, plus elles entrent en collision. Et comme elles se déplacent plus vite, leurs collisions seront plus énergétiques. Si nous faisons le contraire et que nous refroidissons le système, les particules se déplaceront plus lentement. Cela se traduira par des collisions moins fréquentes, de plus faible énergie. Bien que nous décrivions généralement ce scénario avec des gaz, réchauffer des solides et des liquides augmentera également la vitesse à laquelle ils réagissent. Donc, en termes généraux, augmenter la température augmentera la vitesse des réactions en procurant des collisions plus fréquentes avec plus d’énergie.
Et bien que nous ne parlerons pas des mécanismes dans cette vidéo, voici quelques autres facteurs que vous pouvez modifier pour augmenter la vitesse de réaction. Pour les réactions impliquant au moins un gaz, augmenter la pression du gaz augmentera la fréquence des collisions et augmentera la vitesse de réaction. Et nous voyons le même effet pour les solutés en solution. Si nous augmentons leur concentration, la vitesse de réaction augmentera. Plus il y en aura, plus les collisions seront fréquentes. Et pour les réactions impliquant des solides, il est préférable que nous ayons beaucoup de petits morceaux avec une grande superficie qu’un grand morceau avec une petite superficie. Parce que, plus la superficie est grande, plus les collisions se produiront fréquemment sur la surface et plus la vitesse de la réaction sera rapide.
Dans certaines circonstances, cela est également utile pour les liquides. Et la dernière chose à essayer serait d’ajouter un catalyseur. Ce sont des produits chimiques spécifiques pour des réactions spécifiques qui, s’ils sont ajoutés, aideront à fournir une autre voie de réaction avec une énergie d’activation inférieure. Les catalyseurs réagissent, mais quand la réaction est terminée, le catalyseur est régénéré. Nous voyons donc les mêmes réactifs et les mêmes produits dans l’ensemble. Avant de passer à la pratique, examinons rapidement les unités pour la vitesse de réaction que vous pourriez rencontrer et comment les convertir entre elles.
Pour la masse, les unités les plus courantes sont les grammes et les kilogrammes. 1000 grammes équivaut à un kilogramme. Vous vous en souvenez peut-être car le k du kilogramme indique dix puissance trois ou 1000 fois. Donc, pour convertir une valeur en grammes en sa valeur équivalente en kilogrammes, nous multiplions par un kilogramme par 1000 grammes. Et pour faire l’inverse, on multiplie simplement par 1000 grammes par kilogramme. Et nous pouvons utiliser exactement les mêmes techniques lorsque nous convertissons entre elles les vitesses en grammes par seconde et les vitesses en kilogrammes par seconde. La chose un peu plus délicate à convertir est le temps, entre les unités de secondes, minutes et heures, car elles seront au dénominateur.
Nous savons que 60 secondes est équivalent à une minute, 60 minutes est équivalent à une heure, et donc 3600 secondes est également équivalent à une heure. Imaginons donc que nous ayons une vitesse exprimée en grammes par seconde. Pour obtenir l’équivalent en grammes par minute, il suffit de multiplier par 60 secondes par une minute. Nous avons besoin de l’unité seconde en bas d’une fraction et en haut de l’autre pour qu’elles s’annulent. Et ce que nous obtenons, c’est une valeur 60 fois plus grande avec des unités grammes par minute. Cela a du sens puisque si nous faisons quelque chose à tant de grammes par seconde, nous en produirons beaucoup plus par minute.
Donc, pour convertir par seconde en par minute, nous multiplions par 60 secondes par minute ou une minute par 60 secondes. Et pour convertir par minute en par heure, nous multiplions par 60 minutes par heure ou une heure par 60 minutes. Et si nous voulons faire passer de par heure à par seconde en une seule fois, nous multiplions par une heure par 3600 secondes ou 3600 secondes par heure.
Prenons, par exemple, la conversion de 3.6 kilogrammes par heure en son équivalent en grammes par seconde. Dans un premier temps, nous pouvons convertir les kilogrammes par heure en grammes par heure en multipliant par 1000 grammes par kilogramme. Cela nous donne 3600 grammes par heure. Et puis nous pouvons convertir en grammes par seconde en multipliant par une heure par 3600 secondes, ce qui nous donne un gramme par seconde. Et maintenant, il est temps de s’exercer.
Lorsqu’un excès d’acide chlorhydrique réagit avec du carbonate de calcium, du dioxyde de carbone est produit. Si cinq grammes de carbonate de calcium sont consommés en trois minutes et 20 secondes, quelle est la vitesse moyenne de la réaction ?
L’acide chlorhydrique, HCl, est évidemment un acide. Et nous pouvons voir que le carbonate de calcium, CaCO3, est un carbonate. Ce qui pourrait venir à l’esprit est la réaction classique entre un acide et un carbonate produisant un sel, du dioxyde de carbone et de l’eau. Et en effet, la question nous dit que le dioxyde de carbone est l’un des produits. Il n’est pas nécessaire de répondre à la question, mais je vais écrire l’équation chimique. Ici, nous avons HCl réagissant avec le carbonate de calcium solide. J’ai supposé qu’il est solide parce que le carbonate de calcium n’est pas soluble dans l’eau. Nos produits sont le sel soluble, le chlorure de calcium; le gaz, le CO2; et H2O sous sa forme liquide. Et nous aurons besoin de deux HCl pour l’équilibrer.
La question nous dit également que nous consommons cinq grammes de carbonate de calcium en trois minutes et 20 secondes. Notre travail consiste à utiliser ces informations pour calculer la vitesse moyenne de réaction. Lorsque nous avons affaire à des masses, la vitesse moyenne de notre réaction est égale à la variation de masse divisée par le temps mis. Mais on nous a donné le temps mis en un mélange d’unités, de minutes et de secondes. Nous devons donc tout convertir en minutes ou en secondes. Je vais tout faire en secondes.
Il y a 60 secondes dans une minute, donc notre temps mis est égal à trois minutes multipliées par 60 secondes par minute, additionnez les 20 secondes, ce qui est égal à 180 secondes plus 20 secondes, soit 200 secondes. Donc, notre vitesse moyenne par rapport au carbonate de calcium est de cinq grammes divisés par 200 secondes, ce qui donne 0,025 gramme de carbonate de calcium par seconde.
Maintenant, regardons les points clés. Une vitesse de réaction est simplement la vitesse à laquelle les réactifs se transforment en produits. La vitesse de réaction est généralement mesurée en masse par temps - par exemple, des grammes par seconde - ou quantité par temps - par exemple, des moles par seconde. Et l’un des moyens les plus simples d’évaluer la vitesse d’une réaction est de mesurer la vitesse moyenne, qui est la variation de la masse ou de la quantité d’un réactif ou d’un produit, divisée par le temps mis. Et les vitesses de réaction sont généralement influencées par les changements de température, de pression, de concentration, de superficie et la présence d’un catalyseur.
