Chimie c1029

La mesure de la vitesse de réaction

Expérimentalement, on peut déterminer les vitesses de réaction de diverses façons. On doit principalement considérer l'état des différentes substances impliquées ainsi que les méthodes expérimentales utilisées. Aussi, étant donné que la vitesse n'est pas constante tout au long du déroulement, on peut déterminer la vitesse moyenne pour l'ensemble de la réaction, ou encore s'intéresser à un moment précis de son déroulement et en déterminer la vitesse instantanée. Ces deux calculs peuvent être faits à partir de données ou graphiquement.

Les façons de mesurer la vitesse de réaction

Les façons de mesurer la vitesse de réaction dépendent de l'état physique sous lequel se trouve la substance à mesurer (réactifs ou produits) et de la facilité avec laquelle il sera possible d'obtenir cette mesure de façon expérimentale.

Quelle que soit la méthode de mesure choisie, il est souvent utile de prendre en note des données à des intervalles de temps réguliers si on veut produire un graphique du déroulement de la réaction. Si on ne veut déterminer que la vitesse moyenne de la réaction globale, les données initiales et finales suffisent alors à l'obtention du résultat voulu.

Lorsqu'on désire mesurer expérimentalement la vitesse d'une réaction, il faut tenir compte de la phase dans laquelle se trouve la substance que l'on étudiera. Selon sa phase, il est possible d'observer différents paramètres. Le tableau ci-dessous énumère les principaux paramètres d'observation pour les différentes phases de la matière.

État physique Mesure de la quantité de matière
SolideMasse, nombre de particules
LiquideMasse, volume, nombre de particules
GazMasse, volume, pression, concentration, nombre de particules
Solution aqueuseConcentration

Les différents paramètres permettront tous de déterminer la vitesse de la réaction. Toutefois, les unités de mesure de la vitesse seront différentes, ce qui est décrit dans le tableau suivant.

Mesure de la quantité de matière Instrument de mesure Calcul de vitesse Unité de mesure de la vitesse
MasseBalance|\displaystyle Vitesse=\frac{\triangle masse}{\triangle temps}|
g/s
VolumeCylindre gradué, burette à gaz|\displaystyle Vitesse=\frac{\triangle volume}{\triangle temps}|
L/s ou mL/s
PressionManomètre|\displaystyle Vitesse=\frac{\triangle pression}{\triangle temps}|
kPa/s
ConcentrationSpectrophotomètre, pH-mètre|\displaystyle Vitesse=\frac{\triangle concentration\; molaire}{\triangle temps}|   
mol/L • s
Nombre de particulesAucun (s'obtient uniquement par calcul)|\displaystyle Vitesse=\frac{\triangle nombre\; de\; particules}{\triangle temps}|   
mol/s

La vitesse n'est pas toujours déterminée en fonction des secondes. Dans le cas de réactions très lentes, comme la dégradation des plastiques, il est plus adéquat d'exprimer la vitesse de réaction en fonction d'une unité de temps élargie, par exemple en heures ou en années. À l'inverse, dans le cas de réactions quasi spontanées, par exemple la combustion des feux d'artifices, on peut réduire l'unité de temps et exprimer la vitesse en millisecondes. 

Soit la réaction chimique suivante: |Mg _{(s)} + 2 HCl_{(aq)} \rightarrow MgCl_{2(aq)} + H_{2(g)}|
• Il est possible de déterminer la vitesse de réaction en fonction du magnésium (Mg). Il suffit, étant donné son état solide, de déterminer la masse initiale du magnésium et de chronométrer ensuite le temps nécessaire pour qu'il réagisse complètement en présence d'une quantité suffisante d'acide chlorhydrique (HCl). La vitesse de la réaction s'exprime alors en grammes par seconde (g/s). On peut ainsi déterminer la vitesse globale de la réaction mais il est impossible d'en détailler le déroulement.

• Il est possible de déterminer la vitesse de réaction en fonction du dihydrogène (H2). À l'aide de la technique de mesure du volume par déplacement d'eau, il est possible de déterminer la quantité de gaz produit à intervalles de temps réguliers. Ainsi, on peut tracer la courbe de vitesse de la réaction et en détailler le déroulement. La vitesse de la réaction s'exprime alors en millilitres par seconde (mL/s).

On fait réagir un morceau de 3g de magnésium dans 100mL d'une solution d'acide chlorhydrique concentrée. Après 5 minutes (300 secondes), on remarque que le magnésium a entièrement disparu. Quelle est la vitesse de cette réaction en g/s?

|Vitesse=-\displaystyle \frac{Δmasse}{Δtemps}|

|Vitesse=- \displaystyle \frac{0g-3g}{300s-0s}|

|Vitesse=0,01g/s|

Il est à noter que la variation de concentration ne peut être déterminée que pour une substance en phase aqueuse ou gazeuse. Aussi, il est possible de convertir des données de masse ou de volume en moles ou en mol/L à l'aide de la formule de la masse molaire et de la formule des gaz parfaits.

La vitesse moyenne et la vitesse instantanée d'une réaction

La vitesse moyenne d'une réaction est la variation de la quantité d'une substance (réactif ou produit) en fonction d'un intervalle de temps donné.

La vitesse instantanée d'une réaction est la vitesse de la réaction à un temps précis de la réaction.

La vitesse d'une réaction n'est pas constante tout au long de son déroulement. Le rythme initial de la réaction est habituellement rapide et il a tendance à ralentir à mesure que la réaction progresse. La vitesse calculée pour un intervalle de temps donné, que ce soit pour la réaction complète ou seulement pour une partie, correspond à la vitesse moyenne pendant cet intervalle de temps. De son côté, la vitesse instantanée donne une indication de la vitesse à un temps précis du déroulement de la réaction, un peu comme un appareil photo capture un moment précis de notre journée.

Il est possible de déterminer graphiquement ces deux types de vitesse de réaction. La vitesse moyenne de la réaction équivaut à déterminer graphiquement la valeur de la pente de la sécante coupant la courbe en deux endroits, alors que la vitesse instantanée est déterminée par la pente de la tangente qui passe par un point précis de la courbe.

Voici la méthode graphique pour déterminer la vitesse moyenne et la vitesse instantanée d'une réaction.

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