D. Les facteurs influant sur la vitesse d’une réaction et la théorie des collision La vitesse d’une réaction chimique est influencée par les facteurs suivants: La nature des réactifs La concentration des réactifs La surface de contact des réactifs La température d’un système L’effet d’un catalyseur  

1. Théorie des collision pour expliquer les facteurs   Pour nous aider à comprendre l’influence des différents facteurs sur la vitesse de réaction, on utilise la théorie des collisions. Selon cette théorie, les particules de réactif doivent entrer en collision pour qu’une réaction chimique se produise. S’il n’y a pas de collision entre les particules, il n’y aura pas de réaction. Mais il n’y aura pas nécessairement de réaction chimique chaque fois qu’il y a des collision. Les particules de réactif doivent entrer en collision, mais avec une énergie cinétique suffisante (appelée l’énergie d’activation) et avec la géométrie ou orientation favorable.

La bonne orientation du réactif Les particules des réactifs doivent entrer en collision selon une orientation appropriée des particules les unes par rapport aux autres. (géométrie de collision appropriée).

b. Une énergie d’activation suffisante L'énergie (ou vitesse des molécules de réactifs) lors de la collision doit être suffisamment élevée pour rompre les liaisons entre molécules de réactifs et pour former de nouvelles liaisons lors de la formation de produits.   L’énergie de collision minimale requise pour obtenir une réaction réussite est appelé énergie d’activation, Ea. Dans la plupart des réactions, seul une petite fraction des collisions possède assez d’énergie pour qu’une réaction se produise.

2. Le diagramme d’énergie potentielle Les diagrammes d'énergie potentielle servent à représenter l'augmentation de l'énergie potentielle pendant la réaction chimique en fonction du progrès de la réaction.  

L’énergie potentielle augment à mesure que les réactifs se rapprochent les uns des autres. Si l’énergie potentielle des réactifs est moindre que l’énergie maximale au somment de la courbe, les réactifs ne peuvent pas se rapprocher suffisamment pour produire un collision efficace. SI l’énergie potentielle des réactifs est suffisant, les réactifs changeront de configuration et seront dans un état de transition (entre réactifs et produits).

L’état de transition est représenter par le sommet du diagramme ou le maximum de la barrière d’énergie d’activation à franchir. À l’état de transition, les espèces chimiques qui sont présentes s’appellent le complexe activé.   Le complexe activé est un état temporaire car il n’y a ni produit ni réactif, c’est un état intermédiaire instable où il y a une combinaison des atomes. Il a une durée très courte (10-14secondes). Complexe activé

Par la suite, le processus peut progresser pour former des produits ou regresser pour former des réactifs. La différence entre l’énergie potentiel des réactifs et l’énergie potentielle des produits est la variation d’enthalpie, ∆H.

Diagramme montrant le mécanisme d’une réaction endothermique L’énergie des produits formées est supérieure à celle qu’avaient les réactifs. Cela signifie qu’il y a eu absorption d’énergie durant la réaction chimique. La différence de chaleur de la réaction ou variation d’enthalpie, est positive parce que l’énergie potentielle des produits est supérieure à l’énergie potentielle des réactifs au départ. ∆H = H produits – H réactifs = valeur positive = chaleur absorbée

b. Diagramme montrant le mécanisme d’une réaction exothermique L’énergie des réactifs formées est supérieure à celle qu’avaient les produits. Cela signifie qu’il y a eu libération d’énergie durant la réaction chimique. La différence de chaleur de la réaction ou variation d’enthalpie, est négative parce que l’énergie potentielle des produits est inférieure à l’énergie potentielle des réactifs au départ. ∆H = H produits – H réactifs = valeur négative = chaleur libérée

Diagramme montrant les vitesses relatives On peut utiliser des diagrammes d’énergie potentielle pour montrer si une réaction est rapide ou lente. Réaction lente L’énergie d’activation (Ea) est très élevée pour cette réaction. Une grande quantité d’énergie serait nécessaire pour permettre à cette réaction de se dérouler.

Réaction moyenne L’énergie d’activation est un peu plus faible que dans la réaction lente Réaction rapide L’énergie d’activation est très faible comparé à la réaction lente et à la réaction de vitesse moyenne.

d. Diagramme de l’énergie potentiel dans une réaction avec et sans de catalyseur  La réaction catalysée a une énergie d’activation plus faible et par conséquent elle se déroule plus rapidement.

ACTIVITÉ 5: Faire la lecture 365-366 et répondre aux questions #7 - #12.

On peut aussi représenter l’énergie d’activation grâce à un graphique illustrant le nombre de molécules en fonction de l’énergie cinétique. Dans ce cas, la barrière d'énergie correspond à l'énergie d'activation. Toutes les molécules possédant ce minimum d'énergie ou une quantité supérieure auront des collisions efficaces et pourront réagir.  Cette énergie minimum correspond à l'énergie d'activation. La zone en mauve sur le graphique ci-dessous correspond à l'ensemble des molécules de réactifs qui ont une énergie suffisante pour pouvoir réagir.

La valeur de l'énergie d'activation peut nous aider à estimer la vitesse relative d'une réaction. une valeur d'énergie d'activation élevée indique une réaction lente. Dans le cas d’une réaction lente, peu de réactifs (l’aire sous la courbe à droite de l’énergie d’activation) ont une énergie cinétique suffisante pour franchir la barrière et former de nouveaux produits.

une valeur d’énergie d'activation qui est faible indique une réaction rapide.

Exemple de problème: Représenter une réaction à l’aide d’un diagramme d’énergie potentiel Le dioxyde de carbone, CO2(g), réagit avec le monoxyde d’azote, NO(g). Des molécules de monoxyde de carbone, CO(g), et de dioxyde d’azote, NO2(g), sont formées. Trace un diagramme d’énergie potentielle pour illustrer la progression de la réaction. (Tu n’as pas à dessiner le schéma à l’échelle.) Identifie les axes et l’état de transition, puis dessine et identifie les réactifs, les produits et le complexe activé. Note l’énergie d’activation de la réaction directe, Ea(dir) = +361 kJ, ainsi que la variation ∆Hr = +226 kJ. Calcule l’énergie d’activation de la réaction inverse, Ea(inv), et inscris le résultat sur le graphique.

Détermine l’énergie d’activation de la réaction inverse: Ea(dir) – Ea(inv) = ∆Hr Ea(inv) = Ea(dir) - ∆Hr = +361 kJ – (+226 kJ) = +135 kJ

Trace et annote le diagramme d’énergie potentielle de la réaction: p. 370 dans manuel

ACTIVITÉ 7: Répondre aux questions #11 - #20 à la page 371.

3. Les facteurs qui ont une incidence sur la vitesse d’une réaction chimique   La nature des réactifs La nature des réactifs qui rentre en jeu dans la réaction aura un effet sur la vitesse de réaction. Les réactions mettant en jeu des composés ioniques et des ions simple sont généralement plus rapides que celles comportant des composés moléculaires. Moins il y a de liens à briser, plus la réaction sera rapide, et plus les liens à briser sont faibles, plus la vitesse de réaction sera grande. L’état des réactifs, solide, liquide ou gazeux, aura aussi une influence sur la vitesse de réaction.

La surface de contact   L’augmentation de la surface de contact d’un solide augmente la vitesse de réaction. Les collisions ne peuvent se produire qu’à la surface des solides, donc un substance pulvérisée réagira plus vite que sous forme de gros cristaux car la surface de contact avec les autres réactifs est plus grande.

La concentration   Selon la théorie des collisions, les particules doivent entrer en contact les unes avec les autres pour provoquer une réaction. Si la concentration d’un réactif est augmentée, la vitesse de réaction devrait augmenter puisqu’il y aura plus de molécules de ce réactif qui peuvent entrer en collision.

À l’échelle moléculaire, s’il y a une molécule du réactif A qui réagit avec deux molécules du réactif B, il y a deux collisions possibles:

Si la concentration du réactif A est doublée, il y aura quatre collisions possibles.

Et si la concentration de A est triplée, il y aura 6 collisions possibles. En augmentant la fréquence des collisions possibles par l’augmentation de la concentration, on obtient une plus grande vitesse de réaction.

La température   Selon la théorie cinétique, l'énergie cinétique des molécules (leur vitesse) augmente à mesure que l'on élève la température. Ce qui signifie que lorsque le nombre de collisions augmente, la vitesse de réaction augmente aussi.

Le nombre de molécules est représenté par l'aire sous la courbe.   À la température T1, peu de molécules ont obtenu l'énergie d'activation requise pour qu'il y ait réaction. Par contre à la température T2 (qui est une température plus élevée que T1), il y a un plus grand nombre de molécules qui possèdent l'énergie d'activation nécessaire pour qu'il y ait réaction. Pour les deux température, on a le même nombre total de molécules. C'est le pourcentage des molécules possédant une énergie d'activation suffisante qui est plus élevée à la température T2.

La pression L’augmentation de la pression des réactifs gazeux accroît le nombre de collisions par unité de temps, ce qui augment la vitesse de réaction.

Un catalyseur Il est possible d’augmenter la vitesse de réaction en ajoutant un catalyseur. Le catalyseur permet de réduire l’énergie d’activation de la réaction. Lorsque l’énergie d’activation est réduite, une plus grande proportion de réactifs ont l’énergie cinétique égale ou supérieures à l’énergie d’activation.

ACTIVITÉ X: Faire la lecture p ACTIVITÉ X: Faire la lecture p. 372 – 374 et répondre aux questions #19 – 24 à la page 374.