Livret de Physique-Chimie

Chapitre 11 — Cinétique chimiqueSpé Physique-Chimie · Terminale

Introduction

Chapitre 11 — Cinétique chimique

Chap 11 — Cinétique chimique

Idéeétudier la vitesse des transformations + comment l'accélérer ou la ralentir

Feuille de route

① facteurs cinétiques (T, concentration…) ② catalyseurs ③ vitesse volumique + suivi ④ temps de demi-réaction t_1/2 & ordre 1 ⑤ mécanismes (chocs)

Idée clé

la vitesse = à quelle allure les réactifs disparaissent · se lit sur la pente de la tangente à [A](t)

I — Facteurs

I.1 — Transformations lentes ou rapides

rapide : semble instantanée (précipitation, explosion)

lente : perceptible sur des minutes / heures

infiniment lente : aucune évolution visible (bloquée cinétiquement)

Exemples · Mémo

rapide : acide fort + base forte, AgCl · lente : I⁻ + H₂O₂ · infiniment lente : H₂ + O₂ à froid

« lente » ≠ « impossible » : réaction favorable mais freinée par la cinétique

I.2 — Température & concentration

un facteur cinétique modifie la vitesse. Les 2 principaux :

🌡 température : T ↑ ⟹ vitesse ↑ (agitation + de chocs) · refroidir fige (trempe)

🧪 concentration : [réactif] ↑ ⟹ vitesse ↑ (+ de chocs)

Application

frigo (T basse dégradation ralentie) · trempe (eau glacée) pour bloquer avant de titrer

I.3 — Les autres facteurs cinétiques

🪨 surface de contact (hétérogène solide / liquide) : poudre réagit + vite qu'un bloc

💧 le solvant (solvatation) · 💡 l'éclairement (photochimie) · ⚡ le catalyseur (partie II)

Mémo

accélérer : chauffer, concentrer, broyer, éclairer, catalyser · ralentir : refroidir, diluer

II — Catalyseur

II.1 — L'effet d'un catalyseur

= espèce qui accélère sans figurer au bilan : consommé puis régénéré (inchangé à la fin)

il ouvre un nouveau chemin d'énergie d'activation E_a plus faible :

catalyseur ⟹ E_a ↓ ⟹ vitesse ↑

⚠ Ce qu'il NE change PAS

ni l'état final (équilibre), ni le sens d'évolution il fait arriver + vite au même point

II.2 — Les trois types de catalyse

selon la phase du catalyseur :

homogène : même phase (tout en solution) · ex Fe²⁺ pour I⁻ + S₂O₈²⁻

hétérogène : phase différente (solide) · ex pot catalytique (platine)

enzymatique : une enzyme (protéine), très efficace et sélective · ex catalase / H₂O₂

Mémo

HOMO = même phase · HÉTÉRO = phases différentes · ENZYME = biologique (vie à 37 °C)

III — Vitesse

III.1 — Suivre une réaction dans le temps

suivre une concentration au cours du temps. 2 familles :

physiques (non destructives, continu) : spectrophotométrie (A), conductimétrie (σ), pH-métrie, pression

chimiques (destructives) : titrage d'un prélèvement, après trempe

Mémo

on privilégie les méthodes physiques : ne perturbent pas le milieu, suivi continu

III.2 — La vitesse volumique de réaction

v(t) = 1V·dξdt = −d[A]dt = +d[B]dt

v en mol·L⁻¹·s⁻¹ · ξ avancement (mol) · V volume (L)

à t : v = pente de la tangente à [A](t) ou [B](t)

v toujours > 0 (signe − pour un réactif) · v décroît (réactifs s'épuisent)

Mémo

v = pente de la tangente · réactif pente négative (on met un −) · produit pente positive

III — Application

Application — Vitesse par la tangente

Ex — Vitesse par la tangente

[A] passe de 0,80 à 0,20 mol·L⁻¹ entre t = 0 et t = 40 s

v_moy	=	\|Δ[A]\|Δt
	=	0,80 − 0,2040
	=	0,015 mol·L⁻¹·s⁻¹

instantanée : tracer la tangente à [A](t) et mesurer son coefficient directeur (valeur absolue)

Mémo

instantanée = |pente de la tangente| · moyenne = |pente de la corde| entre 2 points

IV — t½

IV — Le temps de demi-réaction t½

IV — Le temps de demi-réaction t_1/2

= durée au bout de laquelle l'avancement atteint la moitié de sa valeur finale :

ξ(t_1/2) = 12·ξ_final (= 12 ξ_max si totale)

lecture : abscisse du point d'ordonnée ξ_f2 · ξ_max via le réactif limitant

Mémo

t_1/2 court réaction rapide · long lente · indicateur de durée n°1 (comme la demi-vie)

V — Ordre 1

V.1 — La loi de vitesse d'ordre 1

ordre 1 / A : la vitesse de disparition est proportionnelle à [A] :

v(t) = k · [A] (k constante de vitesse en s⁻¹)

équation différentielle : −d[A]dt = k · [A]

Mémo

ordre 1 = proportionnalité vitesse ↔ concentration · cas de toutes les désintégrations radioactives

V.2 — Solution et test de l'ordre 1

V.2 — Solution & test de l'ordre 1

solution = décroissance exponentielle : [A](t) = [A]₀ · e^−k·t

reconnaître (2 tests) : d[A]/dt = f([A]) droite · OU ln[A] = f(t) droite de pente −k

t_1/2 = ln 2k

🧠 CARACTÉRISTIQUE ordre 1

t_1/2 INDÉPENDANT de [A]₀ : à chaque t_1/2, la concentration est divisée par 2

V — Application

Application — Décroissance d'ordre 1

Ex — Décroissance d'ordre 1

ordre 1 : k = 0,020 s⁻¹, [A]₀ = 0,50 mol·L⁻¹

t_1/2	=	ln 2k
	=	0,6930,020
	=	35 s

[A](30)	=	[A]₀·e^−k·t
	=	0,50 × e^−0,60
	=	0,27 mol·L⁻¹

à t = 2·t_1/2 ≈ 70 s : [A] = [A]₀4 = 0,125 mol·L⁻¹ (2 divisions par 2)

VI — Mécanismes

VI.1 — Actes élémentaires & intermédiaires

l'équation = un bilan global · en réalité plusieurs étapes = actes élémentaires (chocs entre 2-3 entités)

l'ensemble ordonné = le mécanisme réactionnel

espèce formée puis consommée (absente du bilan) = intermédiaire réactionnel

Mémo

intermédiaire = apparaît puis disparaît · catalyseur = disparaît puis réapparaît (l'inverse)

VI.2 — Sites donneurs/accepteurs & flèches courbes

VI.2 — Sites donneurs / accepteurs & flèches

un acte élémentaire (orga) = flèches courbes = mouvement d'un doublet d'électrons

site donneur : riche en e⁻ (doublet non liant, liaison π, charge −)

site accepteur : pauvre en e⁻ (charge +, lié à un élément électronégatif)

la flèche part du donneur (⊖) vers l'accepteur (⊕)

Mémo

les électrons vont du riche (−) vers le pauvre (+) · la flèche part du doublet, pas de l'atome

VI.3 — Les chocs efficaces

tous les chocs ne réagissent pas : seuls les chocs efficaces mènent aux produits

efficace si 2 conditions : ① énergie suffisante (≥ E_a) · ② orientation favorable

explique les facteurs : T ↑ (chocs + énergétiques / fréquents) · [réactif] ↑ (+ fréquents) · catalyseur (E_a ↓)

Mémo

réagir = se rencontrer (fréquence) + assez fort (énergie) + bien orienté (théorie des chocs)

Récap

Formulaire — tout le chapitre 11

① vitesse : v = 1V·dξdt = −d[A]dt (pente de la tangente)

② demi-réaction : ξ(t_1/2) = ξ_f2

③ ordre 1 : v = k·[A] [A] = [A]₀·e^−kt

④ ordre 1 : t_1/2 = ln 2k (constant, indép. de [A]₀)

⑤ catalyseur E_a ↓ · choc efficace = énergie + orientation

⚠️ Les pièges à éviter + Grand Oral

⚠ Les pièges à éviter

signe de la vitesse : toujours > 0 mettre le − pour un réactif (−d[A]dt)

catalyseur ≠ intermédiaire (régénéré vs consommé)

le catalyseur ne change PAS l'état final ni le rendement, seulement la vitesse

t_1/2 constant ⟺ ordre 1 (sinon t_1/2 dépend de [A]₀)

unité de k : ordre 1 k en s⁻¹ (vérifier par homogénéité)

🎤 Grand Oral

datation au carbone 14 ?cinétique d'ordre 1 (t_1/2 = 5730 ans)

enzymes et la vie à 37 °C ?catalyse : E_a ↓ rend possibles des réactions sinon trop lentes

pot catalytique ?catalyse hétérogène (platine) dépollue les gaz

médicaments / aliments au froid ?facteur température (T ↓ vitesse ↓)