A) La transformation d'un système chimique est-elle toujours rapide

A) La transformation d'un système chimique est-elle toujours rapide ?

I) Transformation chimique lentes ou rapides

II)) suivi temporel d'une réaction chimique

Chapitre 1 : transformations chimiques lentes ou rapides ?

I) Les réactions d'oxydoréduction

1) Couple oxydant réducteur

Un oxydant est une espèce chimique qui peut gagner un ou plusieurs électrons. Un réducteur peut perdre un ou plusieurs électrons. Un couple d'oxydoréduction Ox/Red est constitué par un oxydant et son réducteur conjugué. Ils sont liés par une demi-réaction d'oxydoréduction :

Ox + n.e- = Red

Une réaction d'oxydoréduction met en jeu deux couples d'oxydoréduction :

Ox1/Red1 et Ox2/Red2.

La réaction d'oxydoréduction peut s'écrire :

a.Ox1 + b.Red2 = c.Red1 + d.Ox2

exemple :

Cu²⁺ + 2e- = Cu ½ équation de réduction car gain d’électron(RG)

Zn = Zn²⁺ + 2e- ½ équation d’oxydation : perte d’électrons

Cu²⁺ + Zn = Zn²⁺ + Cu réaction d’oxydoréduction

2) équilibrer une équation redox

Vidéo : équilibrer une équation redox

Exemple sur la réaction entre les couples Cr₂O₇^2-/Cr³⁺ et + C₂H₄O₂/ C₂H₆O (acide éthanoïque / éthanol)

* Conservation du nombre d'atomes de l'élément oxydé ou réduit

Cr₂O₇^2- = 2 Cr³⁺

* Conservation du nombre d'atomes de l'élément oxygène par apport de molécules d'eau :

Cr₂O₇^2- = 2 Cr³⁺ + 7 H₂O

* Conservation du nombre d'atomes d'hydrogène par apport d'ions H⁺ (car la réaction a lieu en milieu acide)

Cr₂O₇^2-+ 14 H⁺ = 2 Cr³⁺+ 7 H₂O

* Conservation des charges électriques par apport d'électrons :

Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 6 e^-= 2 Cr³⁺+ 7 H₂ O

De la même manière la demi-réaction d'oxydation de l'éthanol est :

C₂H₆O + H₂O = C₂H₄O₂ + 4 H⁺ + 4 e^-

On multiplie la demi-équation d'oxydation par le nombre d'électrons intervenant dans la demi-équation de réduction

(x 6) et inversement. On fait la somme des 2 demi-équations pour obtenir l'équation bilan.

4 x (Cr₂O₇^2-+ 14 H⁺ + 6 e^-= 2 Cr³⁺+ 7 H₂O ) +

6 x (C₂H₆O + H₂O = C₂H₄O₂ + 4 H⁺ + 4 e^-)

4 Cr₂O₇^2- + 56 H⁺ + 24 e^- + 6 C₂H₆O + 6 H₂O = 6 C₂H₄O₂ + 24 H⁺ + 24 e^- + 8 Cr³⁺+ 28 H₂O

On simplifie l'équation bilan :

4 Cr₂O₇^2-+ 32 H⁺ + 6 C₂H₆O = 6 C₂H₄O₂ + 22 H₂O + 8 Cr³⁺ ou en divisant chaque terme par 2 :

2 Cr₂O₇^2-+ 16 H⁺ + 3 C₂H₆O = 3 C₂H₄O₂ + 11 H₂O + 4 Cr³⁺

II) Dosage d'oxydoréduction

Animation : matériel nécessaire pour effectuer un dosage pHmétrique

Un dosage permet de déterminer la concentration molaire d'une espèce chimique en solution. L'espèce dosée est appelée le réactif titré. Elle est dosée par un réactif titrant. À l'équivalence, le réactif titré et l'espèce chimique titrante sont introduits dans les proportions stœchiométriques.

Une réaction est dite instantanée lorsque l'évolution du système se fait en une durée inférieure à celle de la persistance rétinienne (environ 0,1 seconde). Une réaction est dite lente si elle dure de quelques secondes à quelques années.

III) Facteurs cinétiques

L'évolution d'un système chimique est d'autant plus rapide que :

- que les concentrations en réactifs sont grandes

- que la température est élevée

- qu’il ya apport d’un catalyseur

Chapitre 2 : suivi temporel d'une réaction chimique

I) Suivi temporel d'une réaction par titrage : méthode chimique

1) Protocole expérimental

Pour déterminer par un dosage la concentration d'une espèce au cours du temps :

1) On effectue le mélange des réactifs.

2) A intervalles de temps réguliers, on prélève une partie du mélange que l'on refroidit brutalement pour arrêter la réaction (cette méthode est appelée la trempe).

3) On dose une espèce de l'échantillon (réactif ou produit) avec une autre espèce chimique.

Animation : la trempe

2) Composition du système à l'instant 't'

Le dosage permet de déterminer directement ou indirectement l'avancement x(t) au cours du temps.

On détermine alors à l’aide d’un tableau d’avancement la quantité de matière des réactifs et produits à chaque instant 't'.

exemple :

État du système	Avancement (mol)	H–CO₂–CH₂–CH₃ +HO^– = HCO₂^–+ CH₃–CH₂–OH
État initial	0	n₀	n₀	0	0
État intermédiaire	x(t)	n₀ – x(t)	n₀ – x(t)	x(t)	x(t)
Etat final	x_max	n_o-x_max	n_o-x_max	x_max	x_max

II) Suivi temporel des concentrations par méthodes physiques

A partir de la conductance ou de l'absorbance, on détermine les concentrations des espèces chimiques au cours du temps. On en déduit l'avancement.

1) La conductimétrie vidéo

Animation : exemple de déplacement d’ions Na⁺ et Cl^- dans une solution.

Animation : effectuer un dosage conductimétrique

La conductance au cours du temps G(t) d'une solution, comprise entre deux plaques d'un conductimètre est :

S: surface d'une des plaques (m²)
L: distance entre les plaques (m)
s(t) : conductivité de la solution à l'instant t (S.m^-1)
G: conductance en Siemens(S)

k: constante de la cellule(m)

La conductivité s d'une solution contenant des ions de concentration [A] et [B] est :

s : conductivité en S.m^-1
l: conductivité molaire de l'ion correspondant (S.m².mol^-1)
[X]: concentration molaire en mol.m^-3

exemple :

État du système	Avancement (mol)	H–CO₂–CH₂–CH₃ + HO^– = HCO₂^–+ CH₃–CH₂–OH
État initial	0	C₀	C_o	0	0
État intermédiaire	x(t)	C₀ – x(t)/V	C₀ – x(t)/V	x(t)/V	x(t)/V

2) La spectrophotométrie

a) Absorbance

Animation : absorbance

Une radiation lumineuse monochromatique de longueur d'onde l traverse une cuve contenant une solution colorée par une espèce chimique. Une partie du rayonnement est absorbée. l'absorbance pour cette longueur d'onde est notée A(l). A est une grandeur sans dimension. L'absorbance est une grandeur additive.

b) Loi de Beer Lambert

L'absorbance d'une solution colorée est donnée par la relation :

e ( ): coefficient d'absorption molaire qui dépend de la nature de l'espèce dissoute, de la température, et de la longueur d'onde (m^-1 .mol^-1 .L)
L: longueur de solution traversée (m)
C(mol.L^-1): concentration de la solution

exemple :

État du système		2I^– _(aq) + S₂O₈^2–_(aq) = I₂ _(aq) + 2 SO₄^2–_aq)
État initial	x = 0	c₁	c₂	0	0
Au cours de la transformation	x	C₁- .x(t)/V	C₂ – x(t)/V	x(t)/V	2x(t)/V
État final attendu	x_max	C₁ -.x_max/V	C₂ – x_MAX/V	x_MAX/V	2x_MAX/V

Chapitre 3 : vitesse de réaction chimique

I) Vitesse volumique d'une réaction

1) Définition vidéo

La vitesse volumique 'v(t)' d'une réaction calculée à l'instant 't' est égale à la dérivée de l'avancement 'x' par rapport au temps, divisée par le volume de solution V :

Unité légale : mol.s^-1m^-3

Animation

exemple 1 d’évolution de vitesse de réaction

exemple 2 : d’évolution de vitesse de réaction

exemple 3 : vitesse de réaction entre les ions iodure et peroxodisulfate

2) Détermination graphique de la vitesse volumique

1) Tracer la courbe de l'avancement en fonction du temps x = f(t)

2) Déterminer graphiquement la dérivée de l'avancement par rapport au temps à l'instant t1 (dx/dt)_t1.

(dx/dt)_t1 représente la pente de la tangente au point M1(t1,x1).

Pour déterminer (dx/dt)_t1:
a) Tracer la tangente à la courbe au point M1
b) Prendre 2 points Mo et M2 très éloignés (pour plus de précision)

Mo (t_o = 1 s ; x_o = 1 mol) M₂(t₂ = 3s ; x₂ = 4 mol)
c) Calculer la dérivée de l'avancement par rapport

3) Diviser la valeur obtenue par le volume de solution V pour obtenir la vitesse volumique à l'instant t1 :

Dans cet exemple à l’instant t₁ par litre de solution, l’avancement x augmente de 1,5 mol par seconde.

3) Temps de demi-réaction t_1/2 vidéo

Animation : temps de demi réaction

Le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l'avancement est égal à l'avancement final divisée par 2 :

Dans le cas où la réaction est totale, x_f= x_{max .} Par conséquent le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l'avancement est égal à la moitié de l'avancement maximal :

II) Interprétation microscopique de l'influence de la concentration sur la vitesse

1) Réaction en solution ou en phase gazeuse

Animation : Vitesse de réaction entre les ions iodure et peroxodisulfate

En phase gazeuse ou en solution, la vitesse de réaction augmente, quand la concentration en réactif et la température augmente.

2) Mélange hétérogène : solide liquide Vidéo

La réaction entre un solide et un liquide est d'autant plus rapide que la surface de contact entre les deux est importante.

3) Chocs efficaces

Animation à télécharger

Pour que les chocs entre deux espèces chimiques puissent être efficaces il faut :

® Une bonne disposition géométrique.

® Une énergie cinétique suffisante pour casser les liaisons.

® Le choc doit se faire entre deux réactifs.

Exemple : A+B = C

Le choc doit se faire entre A et B avec une énergie suffisante et que les 2 molécules soient disposées correctement.