Évolution temporelle

Transformations lentes et rapides

Une transformation lente peut être suivie par nos sens ou par nos instruments de mesure.

Exemple : La corrosion des métaux est un processus chimique lent qui se produit lorsqu’un métal est exposé à l’air et à l’humidité. Elle se produit lorsque les atomes de métal réagissent avec l’oxygène et l’eau de l’air pour former des oxydes de métal.

Lors d’une transformation rapide, on ne peut pas apprécier, à l’aide de nos sens ou de nos instruments de mesure, l’existence d’un délai entre le mélange des réactifs et la formation des produits.

Exemples : Précipitations, combustions, acide/base

Cinétique chimique

La cinétique chimique est l’étude du déroulement temporel d’une transformation chimique. Les différents paramètres qui agissent sur la rapidité d’évolution d’un système où se déroule une transformation chimique constituent les facteurs cinétiques de la transformation.

Facteurs cinétiques

Il y a de nombreux paramètres que l’on peut changer pour qu’une transformation soit plus rapide. Le concept de collisions peut être utilisé pour expliquer les effets de différents facteurs sur la vitesse d’une transformation chimique.

La théorie des collisions dit que, pour qu’une transformation ait lieu, les particules doivent se rencontrer avec une orientation correcte et une énergie suffisante. Différents facteurs affectent la vitesse de la transformation en affectant la fréquence des collisions, et/ou la proportion de collision ayant une énergie suffisante.

Influence de la concentration

Augmenter la concentration des réactifs en solution augmente la vitesse de la transformation, le nombre de particules pouvant réagir étant plus grand. Cela augmente la fréquence de collisions entre les particules.

Influence de la température

Augmenter la température augmente l’énergie cinétique des particules. Cela augmente la fréquence des collisions entre particules, et une plus grande proportion de collisions vont avoir l’énergie requise pour réagir.

Catalyse d’une transformation chimique

Catalyseur

Un catalyseur est une espèce qui accélère une transformation chimique sans être consommé par celle-ci.

La décomposition de l’eau oxygénée est infiniment lente à température ambiante :

$$2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}_{(\mathrm{aq})}⟶2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_{(\mathrm{l})}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}_{(\mathrm{g})}$$

L’ajout d’ions Fe (III), de platine ou de catalase augmente la vitesse de décomposition.

Catalyse homogène

Lorsque le catalyseur et tous les réactifs sont dans la même phase, la catalyse est dite homogène.

Exemple : Décomposition de l’eau oxygénée par les ions Fe (III)

$$\begin{array}{rl}{H}_2{O}_{2(aq)}+2F{e}_{(aq)}^{3+}& ->O_{2(g)}+2H_{(aq)}^{+}+2F{e}_{(aq)}^{2+}(1)\\ H_2{O}_{2(aq)}+2H_{(aq)}^{+}+2F{e}_{(aq)}^{2+}& ->2H_2{O}_{(l)}+2F{e}_{(aq)}^{3+}(2)\end{array}$$

Le bilan des ces deux transformations est :

$$2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}_{(\mathrm{aq})}⟶2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_{(\mathrm{l})}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2{\phantom{A}}_{(\mathrm{g})}$$

Une transformation lente est remplacée par deux transformation plus rapides. On observe que le catalyseur est consommé par la transformation $(1)$ puis régénéré par la transformation $(2)$.

Catalyse hétérogène

La catalyse est hétérogène si le catalyseur et les réactifs appartiennent à des phases différentes.

Exemple: le pot catalytique est recouvert de métaux nobles (platine, palladium). Lorsque les gaz d’échappement passent à travers le pot les métaux accélèrent l’oxydation du monoxyde de carbone $CO$ en $C{O}_2$, la réduction des oxydes d’azote en diazote et l’oxydation des hydrocarbures non brulés en $C{O}_2$ et $H_{2}O$.

Catalyse enzymatique

Si on plonge un morceau de viande (qui contient une enzyme appelée catalase) dans l’eau oxygénée la transformation de décomposition de l’eau oxygénée s’accélère. Les enzymes sont des catalyseurs très efficaces et sélectives : chacune d’entre elles interagit avec une molécule et catalyse une transformation.

Propriétés des catalyseurs

• Une faible quantité de catalyseur suffit à catalyser une transformation. Une augmentation de la quantité de catalyseur permet d’accroître encore la vitesse de transformation.
• Contrairement aux deux facteurs cinétiques (température et concentration) qui agissent sur la probabilité de chocs efficaces entre entités réactives, le catalyseur modifie le mécanisme transformationnel.
• Le choix d’un catalyseur spécifique permet d’orienter une synthèse vers un produit particulier lorsque plusieurs produits sont susceptibles de se former.
• Le catalyseur d’une transformation n’est pas à priori le catalyseur d’une autre transformation.