Chimie c1028

Les facteurs qui influencent la vitesse de réaction

La vitesse d’une réaction chimique est influencée par cinq facteurs: la nature et la concentration des réactifs, leur surface de contact, la température du système, et finalement la présence d’un catalyseur. Il est parfois utile d'utiliser la théorie des collisions afin de mieux comprendre l'influence des différents facteurs sur la vitesse de réaction.

La nature des réactifs

La nature des réactifs influence la vitesse d'une réaction. La phase dans laquelle se trouvent les réactifs, ainsi que le nombre et la force des liaisons qu'ils contiennent seront les facteurs qui influenceront la vitesse.

En général, les réactions homogènes, c'est-à-dire celle où tous les réactifs en jeu sont dans la même phase, sont plus rapides que les réactions hétérogènes. Toutefois, on doit principalement considérer deux aspects considérant la nature des réactifs en jeu: la phase des réactifs et la quantité et le type de liaisons à briser dans les réactifs.

Phase des réactifs

Selon le modèle particulaire, les forces d'attraction entre les particules diminuent au fur et à mesure que les particules de matière sont plus distantes. De plus, à température égale, les particules se déplacent beaucoup plus rapidement dans un gaz que dans un liquide ou un solide. Par conséquent, une réaction impliquant des réactifs gazeux sera plus rapide qu'entre des réactifs solides puisqu'il y a moins de forces d'attraction à vaincre et plus de collisions efficaces. Lorsque des réactifs en solution aqueuse sont présents, les réactions sont encore plus rapides, car il n'y a pratiquement aucune force d'attraction à briser. On peut donc classer les vitesses de réaction en fonction de la phase de la façon suivante:

 

Nombre et force des liaisons à briser

L'énergie d'activation (Ea) d'une réaction est l'énergie minimum nécessaire au déroulement de la réaction chimique. Elle correspond à la quantité d'énergie nécessaire pour briser les liens unissant les atomes des molécules de réactifs afin de former le complexe activé. Plus le niveau d'énergie de ces forces de liaison est élevé, plus il est difficile de briser les molécules. Par exemple, les liaisons covalentes sont beaucoup plus difficiles à briser que les liaisons ioniques. Du coup, la réaction sera plus lente. D'un autre côté, plus le nombre de liaisons chimique dans une molécule est élevé, plus l'énergie requise pour les briser sera aussi élevée. Conséquemment, la réaction sera aussi plus lente.

Une molécule de méthane (CH4) (à gauche) contient moins de liaisons chimiques qu'une molécule de méthanol (CH3OH) (à droite). Elle réagit plus rapidement puisqu'elle est plus facile à briser.
c1028i11.JPG c1028i10.JPG

Ainsi, on peut considérer les règles générales suivantes:

• La vitesse d’une réaction chimique selon la nature des réactifs suit l'ordre suivant, du plus rapide au plus lent: ions en milieu aqueux, réactifs gazeux, réactifs liquides et réactifs solides.

 Plus le nombre de liaisons à briser et le nombre de nouvelles liaisons à former sont élevés, plus la réaction sera lente, car l’énergie des liaisons à briser et à former est très élevée.

 

La concentration des réactifs

La concentration des réactifs influence la vitesse d'une réaction. Généralement, une augmentation de la concentration augmentera la vitesse de réaction.  

Pour un volume donné, lorsqu'on augmente la concentration des réactifs, le nombre de particules par unité de volume augmente. La probabilité qu'il y ait des collisions entre les particules est donc accrue. Cette augmentation du nombre de collisions a pour conséquence une augmentation de la vitesse de la réaction.


Source

On peut illustrer l'influence de la concentration sur la vitesse de réaction à l'aide de la courbe de distribution de Maxwell-Boltzmann.

Le graphique ci-dessous représente la distribution de vitesse dans des  échantillons à deux concentrations différentes. On observe que l'énergie d'activation et la vitesse moyenne des particules ne sont pas influencés par une modification de concentration. La différence de concentration ne fait que changer la hauteur de la courbe. Ainsi, plus la concentration est élevée et plus de particules possèdent une énergie supérieure à l'énergie d'activation. La réaction se déroule alors plus rapidement.
c1028i13.JPG

On peut résumer l'influence de la concentration sur les vitesses de réaction de la manière suivante:

Plus la concentration des réactifs est élevée, plus le nombre de collisions efficaces sera élevée pour une même période de temps causant une vitesse de réaction plus rapide.


Dans le cas des gaz, plus la pression partielle de ces gaz réagissant est élevée, plus la réaction sera rapide.

On peut exprimer mathématiquement l'influence de la concentration des réactifs sur la vitesse d'une réaction à l'aide de la loi des vitesses de réaction.

 

La surface de contact des réactifs

La surface de contact des réactifs influence la vitesse d'une réaction. Une plus grande surface de contact permet davantage de collisions entre les réactifs et, par conséquent, augmente la vitesse de la réaction. 

Lorsqu'une réaction implique un réactif solide, la forme de celui-ci influence la vitesse de réaction. Par exemple, il est plus facile d'allumer un feu de camp avec du bois fendu en petits morceaux qu'avec des bûches entières. Aussi, la mastication des aliments permet une digestion plus rapide des aliments.

Les collisions intervenant entre un solide et un autre réactif, par exemple un gaz, ne se font que sur la surface externe du solide. Si cette surface est restreinte, la vitesse de la réaction sera relativement lente. Au contraire, si le solide est divisé en particules plus fines, la surface de contact est plus grande et le nombre de collisions augmente, ce qui augmente la vitesse de réaction.

L'influence de la surface de contact peut être résumée ainsi:

Plus la surface de contact entre les réactifs est élevée, plus la réaction sera rapide.
L'augmentation de la surface de contact disponible pour un réactif est un moyen d'augmenter la vitesse d’une réaction.

La surface de contact n'a aucune influence sur la courbe de distribution de Maxwell-Boltzmann. On ne peut donc pas la représenter graphiquement.

 

La température du système

La température du système influence la vitesse d'une réaction. En général, une hausse de température se traduit par une augmentation de la vitesse de réaction. 

Lorsqu'on augmente la température d'un échantillon de matière, les particules qui le composent acquièrent une énergie cinétique plus grande. L'augmentation du déplacement engendre davantage de collisions efficaces et, conséquemment, une réaction plus rapide. L'inverse est aussi vrai: si on refroidit un système, on ralentit le déplacement des particules et la vitesse de réaction est diminuée. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle on conserve des aliments au réfrigérateur: une température fraîche permet de ralentir la vitesse de dégradation de la nourriture.

On peut illustrer l'influence de la température sur la vitesse de réaction à l'aide de la courbe de distribution de Maxwell-Boltzmann.

Le graphique ci-dessous représente la distribution de vitesse dans un échantillon de gaz à deux températures différentes. On observe qu'une augmentation de température aplatit la courbe de distribution et la déplace vers la droite. La vitesse moyenne des particules est alors plus grande à des températures plus élevées. Aussi, davantage de particules possèdent une énergie supérieure à l'énergie d'activation lorsque la température est plus élevée. La réaction se déroule alors plus rapidement.
c1028i12.JPG

On peut résumer l'influence de la température de la façon suivante:

Plus la température est élevée, plus le nombre de particules ayant l'énergie minimum pour réagir augmente.
Ainsi, la réaction se déroule plus rapidement (la vitesse de réaction est plus grande).

On observe habituellement qu’une augmentation de la température des réactifs de 10°C double la vitesse d’une réaction.

L'effet d'un catalyseur

Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction sans y prendre part directement. Il abaisse la quantité d'énergie nécessaire pour amorcer la réaction.

Certaines substances permettent de modifier la vitesse de réaction sans toutefois faire partie des réactifs ou des produits: on les nomme catalyseurs. Il ne participe donc pas à la réaction; on le retrouve intact à la fin de celle-ci. Son rôle est plutôt d'abaisser l'énergie d'activation nécessaire à la réaction, ce qui permet à davantage de particules d'entrer en collision efficace et ainsi de pouvoir réagir. La vitesse de la réaction augmente.

On peut illustrer l'influence d'un catalyseur sur la vitesse de réaction à l'aide de la courbe de distribution de Maxwell-Boltzmann.

Le graphique ci-dessous représente la distribution de vitesse dans un échantillon de gaz en présence ou en l'absence d'un catalyseur. On peut constater que l'énergie d'activation nécessaire à la réaction est diminuée en présence d'un catalyseur. Ainsi, davantage de particules possèdent une énergie supérieure à l'énergie d'activation. La réaction se déroule alors plus rapidement.

c1028i14.JPG

Il existe des substances qui ont un effet contraire à celui des catalyseurs: plutôt que d'augmenter la vitesse d'une réaction, ils l'a diminuent. Ces substances agissent en augmentant l'énergie d'activation de la réaction. On peut ainsi ralentir certains processus. Ces substances, parfois nommées catalyseurs négatifs, sont des inhibiteurs.

On distingue souvent deux types de catalyseurs:

  • Un catalyseur homogène est une substance qui se trouve dans la même phase que les réactifs.
  • Un catalyseur hétérogène est une substance qui se trouve dans une phase différente de celle des réactifs de la réaction qu'il catalyse.

On utilise des catalyseurs à plusieurs fins. La levure qu'on ajoute au pain permet de produire des substances qui catalysent la levée du pain. Dans l'industrie agroalimentaire, des inhibiteurs sont souvent utilisés afin de ralentir les réactions chimiques qui causent la détérioration des aliments. Certaines plantes carnivores, afin de pouvoir digérer des insectes, produisent des substances qui accélèrent cette digestion. Les réactions chimiques se déroulant dans notre corps sont dépendantes de catalyseurs biologiques appelés enzymes.

Les vidéos
Les exercices
Les références