Cinétique chimique

Nous savons que la rouille du fer est une réaction chimique. Cela n'arrive pas rapidement. La rouille du fer se produit lentement. Cependant, la combustion de l’essence est une réaction rapide. Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi certaines réactions se produisent rapidement tandis que d’autres prennent des heures ou des jours ? La réponse se trouve dans le concept de vitesse de réaction.

La vitesse de réaction fait référence à la vitesse à laquelle une réaction chimique se produit. La vitesse d’une réaction est généralement mesurée en surveillant les changements de concentration des réactifs ou des produits au fil du temps. Plus la vitesse de réaction est rapide, plus le temps nécessaire à la réaction pour se produire est court. Si la vitesse de réaction est plus lente, la réaction prendra plus de temps à se terminer.

La vitesse d'une réaction chimique peut être exprimée comme le changement de concentration d'une substance impliquée dans la réaction divisé par l'intervalle de temps sur lequel le changement de concentration se produit. Les unités de vitesse de réaction dépendent de la réaction spécifique étudiée. Dans une réaction chimique, la concentration des réactifs diminue avec le temps. La concentration des produits augmente avec le temps.

Considérons une réaction chimique dans laquelle le réactif A réagit avec le réactif B pour former le produit C. Au fil du temps, les concentrations du réactif A et du réactif B diminueront. La vitesse de cette réaction particulière en termes de réactif A est exprimée comme −Δ[A]/Δt. Δreprésente le concept de changement. Le signe négatif est dû au fait que la concentration du réactif diminue avec le temps.

Le taux en termes de réactif B est exprimé comme −Δ[B]/Δt. Le signe négatif ici est dû à la diminution de la concentration du réactif B. Le taux en termes de produit C peut être exprimé comme Δ[C]/Δt. Il n'y a pas de signe négatif ici. Cela est dû au fait que la concentration des produits augmente avec le temps.

Pour calculer la vitesse d’une réaction chimique, vous devez déterminer le changement de concentration d’un réactif ou d’un produit sur un intervalle de temps spécifique. Disons que la concentration initiale d'un réactif est exprimée comme [A]₁. La concentration finale du réactif est exprimée comme [A]₂. Ainsi, le changement de concentration serait égal à la concentration finale moins la concentration initiale. Le temps initial est exprimé comme t₁. Le temps final est exprimé comme t₂. L'intervalle de temps est égal au temps final moins le temps initial.

Pour calculer la vitesse de réaction, soustrayez d’abord la concentration finale du réactif de la concentration initiale du réactif pour obtenir le changement de concentration du réactif. De même, soustrayez l’heure finale de l’heure initiale pour déterminer l’intervalle de temps. Enfin, divisez la variation de concentration du réactif par l’intervalle de temps pour obtenir la vitesse de réaction.

Considérons un exemple pour calculer la vitesse d’une réaction chimique. Supposons que nous ayons une réaction où la concentration initiale du réactif A est 0.1M. La concentration finale du réactif A est 0.05M. Le temps initial est de 0 seconde et le temps final est de 30 secondes.

Tout d’abord, nous devons calculer le changement de concentration du réactif A et l’intervalle de temps. Le changement de concentration du réactif A est -0.05M. L'intervalle de temps calculé est de 30 secondes. Nous allons maintenant diviser le changement de concentration par l’intervalle de temps. Finalement, la vitesse de réaction calculée est 0.00167M/s. Le signe négatif indique que les réactifs sont consommés. Cela montre que 00167Mdu réactif A est consommé chaque seconde au cours de cette réaction.

Plusieurs facteurs affectent la vitesse d’une réaction chimique. Nous allons discuter brièvement de ces facteurs. La concentration des réactifs joue un rôle important dans la détermination de la vitesse de réaction. À mesure que la concentration des réactifs augmente, la fréquence des collisions réussies entre les particules augmente. Un plus grand nombre de collisions réussies entre les particules réactives signifie que davantage de réactifs seront convertis en produits en moins de temps. Cela conduit à un taux de réaction plus élevé.

La température a un effet direct sur la vitesse d’une réaction. Lorsque la température augmente, l’énergie cinétique des particules augmente également. Cela entraîne des collisions plus fréquentes et plus énergétiques. Des collisions plus fréquentes et plus énergétiques signifient que les réactifs seront convertis en produits plus rapidement. Par conséquent, une température plus élevée conduit généralement à une vitesse de réaction plus élevée.

Dans les réactions impliquant des réactifs solides, la surface du solide joue un rôle dans la vitesse de réaction. En augmentant la surface d’un réactif solide, davantage de particules sont exposées. Cela fournit une plus grande surface pour que les particules réactives de l'autre phase, comme un gaz ou un liquide, entrent en collision. Cette surface accrue augmente les chances de collisions réussies et conduit à un taux de réaction plus élevé.

Les catalyseurs sont des substances qui accélèrent les réactions chimiques sans être consommées ou altérées de manière permanente au cours du processus. Les catalyseurs fonctionnent en fournissant une voie de réaction alternative qui nécessite une énergie d’activation inférieure par rapport à la réaction non catalysée. L'énergie d'activation est l'énergie minimale requise pour qu'une réaction chimique se produise. En abaissant l’énergie d’activation, les catalyseurs permettent aux particules réactives de surmonter plus facilement la barrière énergétique et de procéder à la formation de produits.

Les catalyseurs homogènes sont des catalyseurs qui sont dans la même phase que les réactifs d'une réaction. En règle générale, les catalyseurs homogènes sont utilisés dans les réactions qui se produisent dans des solutions ou des gaz. Un exemple de catalyseur homogène est l’utilisation d’acides ou de bases dans des réactions chimiques particulières. Par exemple, l’acide sulfurique peut agir comme catalyseur dans la réaction d’estérification. Dans cette réaction, l’acide sulfurique aide à convertir un alcool et un acide carboxylique en un ester et en eau. L'acide sulfurique, l'alcool et l'acide carboxylique sont tous dans la même phase liquide.

Les catalyseurs hétérogènes sont des catalyseurs qui existent dans une phase différente des réactifs. En règle générale, les catalyseurs hétérogènes sont des substances solides qui facilitent les réactions impliquant des gaz ou des liquides. Un exemple de catalyseur hétérogène est le platine, utilisé dans les convertisseurs catalytiques des voitures. Le convertisseur catalytique contient une structure en nid d'abeille recouverte de platine. Le catalyseur en platine aide à convertir les gaz d’échappement nocifs, tels que le monoxyde de carbone et les oxydes d’azote, en substances moins nocives comme le dioxyde de carbone, l’azote gazeux et l’eau.