La théorie des collisions et les mécanismes réactionnels

Selon la théorie des collisions, une réaction chimique a lieu lorsque les trois conditions suivantes sont respectées.

1. Les particules de réactifs doivent entrer en collision entre elles.

2. Les particules de réactifs doivent entrer en collision selon une orientation favorable.

3. Les particules qui participent à une collision doivent posséder une énergie cinétique |(E_k)| égale, ou plus élevée, à l’énergie d’activation |(E_a)| nécessaire pour former un complexe activé. 

Lorsque des particules de réactifs possèdent une énergie cinétique suffisante et qu’elles entrent en collision selon une orientation favorable, on dit que la collision est efficace. Si l’une de ces conditions n’est pas respectée, on dit que la collision est inefficace ou élastique. 

Pour qu’une réaction chimique se produise, il faut d’abord que les particules de réactifs entrent en collision. Plus il y a de collisions entre les particules de réactifs, plus le nombre de collisions efficaces est élevé. Le nombre de collisions efficaces dépend des facteurs suivants : 

• la nature et l’état des réactifs, 

• la concentration des réactifs, 

• la surface de contact entre les réactifs,

• la température du milieu réactionnel et

• la présence d'un catalyseur.

Si l’angle de collision entre les particules de réactifs n’est pas optimal, les particules rebondissent les unes sur les autres sans qu’aucune liaison ne soit brisée. Lorsque l’angle de collision entre les particules de réactifs est optimal, la collision peut permettre aux particules de réactifs de se réorganiser de manière à former un complexe activé, ce qui rend la réaction chimique possible.

La situation peut être expliquée par l’analogie suivante : pour couper une buche en deux, la hache doit frapper la buche selon une orientation spécifique. Si on frappe la buche avec le côté plat de la hache plutôt qu’avec le côté tranchant, celle-ci ne se sépare pas et demeure en un morceau. 

Pour qu’une réaction chimique se produise, les collisions doivent libérer une quantité minimale d’énergie pour briser les liaisons entre les atomes. Cette énergie provient de l’énergie cinétique des particules de réactifs avant qu’elles entrent en collision. 

Les particules dont l’énergie cinétique |(E_k)| est inférieure à l’énergie d’activation rebondissent les unes sur les autres, et ce, même si leur orientation est optimale lors de la collision. L’énergie cinétique des particules est conservée. Il s’agit donc de collisions élastiques.

Les particules dont l’énergie cinétique est égale ou supérieure à l’énergie d’activation et dont l’orientation est optimale peuvent faire des collisions efficaces et former un complexe activé. En raison des transferts d’énergie lors de la réaction, l’énergie cinétique des particules de produits est différente de celle des particules de réactifs. 

Si on reprend l’analogie d’une buche qu’on coupe avec une hache, une buche ne peut pas être coupée si la vitesse de la hache n’est pas suffisante, et ce, même si la hache est orientée de manière optimale par rapport à la buche. 

La théorie des collisions permet d’expliquer une réaction complexe en analysant les réactions élémentaires de son mécanisme réactionnel. 

Une réaction élémentaire se déroule en une seule étape. Autrement dit, chaque collision efficace entre les particules des réactifs entraine la formation d’un seul complexe activé, qui forme ensuite les produits finaux de la réaction. Une réaction élémentaire correspond également à l’une des étapes d’un mécanisme réactionnel.

Une réaction complexe nécessite qu’il se produise des collisions efficaces entre plus de deux substances différentes. Toutefois, il est très peu probable que plus de deux particules de réactifs entrent en collision simultanément avec une énergie cinétique suffisante selon une orientation optimale. Ainsi, une réaction complexe se déroule en plusieurs étapes, où chaque étape correspond à une réaction élémentaire différente comprenant seulement deux réactifs. L’ensemble des réactions élémentaires forme le mécanisme réactionnel de la réaction complexe. 

Chaque réaction élémentaire qui compose une réaction complexe a ses propres caractéristiques, soit son énergie d’activation |(E_a),| son complexe activé, sa variation d’enthalpie et sa vitesse de réaction. Ces caractéristiques sont représentées dans le diagramme énergétique du mécanisme réactionnel de la réaction complexe.

Lors d’une réaction complexe, certaines substances sont produites par une réaction élémentaire et consumées par la réaction élémentaire suivante. Ces substances qui participent à la réaction complexe, mais qui ne sont pas des réactifs de départ ou des produits finaux de la réaction sont appelées des intermédiaires de réaction. 

Dans le diagramme énergétique d’un mécanisme réactionnel, on retrouve les intermédiaires de réaction entre les complexes activés des différentes réactions élémentaires, tel qu’illustré dans le diagramme suivant. Toutefois, toutes les substances présentes à ces moments de la réaction ne sont pas nécessairement des intermédiaires de réaction. Certaines substances présentes à ces moments sont également des réactifs de départ ou des produits finaux de la réaction complexe.

Une réaction complexe ne peut être plus rapide que sa réaction élémentaire la plus lente. Pour cette raison, c’est la réaction élémentaire la plus lente d’un mécanisme réactionnel qui détermine la vitesse d’une réaction complexe. Cette réaction est appelée l’étape déterminante. Sur le diagramme énergétique d’une réaction complexe, l’étape déterminante correspond à la réaction élémentaire qui possède la plus grande énergie d’activation |(E_a)|.