Les facteurs cinétiques et catalyseurs d'une transformation chimique

I. Les facteurs cinétiques d'une transformation chimique

1. Définition

Les facteurs cinétiques sont des grandeurs qui agissent sur la vitesse d'une réaction.

2. Concentration des réactifs

$\bullet\quad$Il faut un contact entre les réactifs pour que la réaction se fasse.

$\bullet\quad$En augmentant leur concentration, on augmente leur chance de se rencontrer : la réaction est plus rapide.

$\bullet\quad$Influence de la concentration :

$\quad\circ\quad$ La vitesse volumique de réaction augmente quand la concentration des réactifs augmente.

$\quad\circ\quad$ Le temps de demi-réaction diminue quand la concentration en réactifs initiale augmente.

$\bullet\quad$Applications :

$\quad\circ\quad$ Pour stopper, on dit bloquer, une réaction qui a lieu en solution, on ajoute de l'eau pour diluer les réactifs.

$\quad\circ\quad$ Au fur et à mesure que le temps passe, la concentration des réactifs diminue donc la vitesse volumique de réaction diminue.

3. La température

$\bullet\quad$Quand la température augmente, l'énergie cinétique des réactifs augmente, les chocs entre eux sont plus violents, plus efficaces : la réaction est plus rapide.

$\bullet\quad$Influence de la température :

$\quad\circ\quad$ La vitesse volumique de réaction augmente quand la température augmente.

$\quad\circ\quad$ Le temps de demi-réaction diminue quand la température augmente.

$\bullet\quad$Applications :

$\quad\circ\quad$ Pour bloquer une réaction, on ajoute de la glace pour refroidir brutalement le mélange réactionnel : c'est la trempe (opération qui consiste à bloquer une réaction en ajoutant de la glace pour refroidir brutalement le mélange réactionnel).

$\quad\circ\quad$ Pour déclencher une réaction, on utilise parfois une allumette enflammée, une étincelle.

$\quad\circ\quad$ Pour cuire des aliments plus rapidement, on utilise une cocotte-minute (la température d'ébullition de l'eau est de $120~^oC$).

4. Surface de contact

$\bullet\quad$Influence de la surface de contact : si l'un des réactifs est solide, la réaction est plus rapide si on augmente la surface de contact entre ce solide et les autres réactifs en solution.

$\bullet\quad$Pour ce faire, on utilise des poudres au lieu de gros morceaux pour augmenter la vitesse volumique de réaction.

II. Les catalyseurs d'une transformation chimique

1. Définitions et propriétés

$\bullet\quad$Catalyse et catalyseur :

$\quad\circ\quad$ La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique.

$\quad\circ\quad$ Un catalyseur est une espèce qui qui accélère une réaction (i.e. augmente la vitesse de cette réaction) sans apparaître dans le bilan de la réaction (i.e. sans modifier l'état final du système chimique).

$\bullet\quad$Un catalyseur permet de contrôler l'évolution d'un système chimique : il a un rôle purement cinétique (cela signifie qu'il ne peut accélérer qu'une réaction qui peut avoir lieu sans lui). Il doit être spécifique de la réaction pour que la transformation devienne plus rapide, mais le système évolue vers un même état final.

$\bullet\quad$Un catalyseur est sélectif si, à partir d'un système initial susceptible d'évoluer selon plusieurs réactions, il accélère préférentiellement l'une d'elles.

$\bullet\quad$On dénombre trois catégories de catalyse :

$\quad\circ\quad$ Homogène ;

$\quad\circ\quad$ Hétérogène ;

$\quad\circ\quad$ Enzymatique.

2. Catalyse homogène

$\bullet\quad$Définition :

On dit que la catalyse est homogène si le catalyseur appartient à la phase des réactifs.

Dans ce type de catalyse, le catalyseur participe à la transformation chimique. Il est transformé en une autre espèce chimique puis régénéré. Le catalyseur n'entre pas dans l'écriture de l'équation-bilan.

$\bullet\quad$Exemple : dismutation de l'eau oxygénée catalysée par les ions ferriques :

$\quad\circ\quad$ La réaction se fait en deux étapes :

$2Fe^{3+} + H_2O_2 \rightarrow 2Fe^{2+} + 2H^+ + O_2$ $\textcolor{purple}{\text{(1)}}$

$2Fe^{2+} + 2H^+ + H_2O_2 \rightarrow 2Fe^{3+} + 2H_2O$ $\textcolor{purple}{\text{(2)}}$

$\quad\circ\quad$ En ajoutant $\textcolor{purple}{\text{(1)}}$ et $\textcolor{purple}{\text{(2)}}$ on retrouve l'équation de la réaction. Le catalyseur n'apparaît pas :

$2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$

$\bullet\quad$Remarque : ces intermédiaires sont souvent des carbocations ; ce sont des entités chimiques qui possèdent un atome de carbone portant une charge positive.

3. Catalyse hétérogène

$\bullet\quad$Définition :

On dit qu'une catalyse est hétérogène si le catalyseur et les réactifs n'appartiennent pas à la même phase.

Dans une catalyse hétérogène, la réaction se produit à la surface du catalyseur et l'efficacité d'un catalyseur dépend de la surface disponible. Ce mécanisme réactionnel se déroule en trois étapes successives :

$\quad\circ\quad$ Les molécules, avec l'agitation thermique, vont se lier à la surface du catalyseur : elles s'adsorbent, fragilisant les molécules ;

$\quad\circ\quad$ Les liaisons dans les molécules étant fragilisées, la réaction se fait plus aisément ;

$\quad\circ\quad$ Les produits formés à la surface : on dit qu'ils se désorbent.

$\bullet\quad$Exemple : synthèse de l'eau à partir du dihydrogène et du dioxygène sous l'action du platine ($\text{Pt}$) :

$2H_2O + O_2 ~ \xrightarrow{Pt} ~ 2H_2O$

$\quad\circ\quad$ Craquage catalytique : à une température de $500~^oC$ et en présence de silicates naturels, certaines molécules d'alcanes à chaînes longues se transforment en molécules d'alcanes et d'alcènes à chaînes plus courtes.

$\quad\circ\quad$ Reformage catalytique : à $500~^oC$ et en présence de platine, on modifie la structure des hydrocarbures des essences légères pour améliorer l'indice d'octane.

4. Catalyse enzymatique

$\bullet\quad$Définition :

La catalyse est enzymatique lorsque le catalyseur est une enzyme, c'est-à-dire une protéine élaborée par les systèmes vivants.

Il s'agit à la fois d'une catalyse homogène car le catalyseur et les réactifs du milieu biologique ne forment qu'une seule phase aqueuse, et d'une catalyse hétérogène du fait du mode d'action (présence d'un site actif).

$\bullet\quad$Exemple : les enzymes digestives réalisent une rupture des grosses molécules de l'alimentation.

5. Synthèse

Le catalyseur a un rôle purement cinétique : il ne peut accélérer que des réactions qui sont naturellement possibles. Dans le cas d'une réaction d'équilibre, le catalyseur agit à la fois sur la réaction directe et sur la réaction indirecte.

La catalyse est un phénomène spécifique car le catalyseur agit sur une réaction déterminée, et une réaction donnée ne peut être accélérée que par un nombre restreint de catalyseurs.

$\bullet\quad$Remarque : pour une catalyse homogène, l'ion oxonium ($H_3O^+$) peut catalyser beaucoup de réactions.

^{= Merci à gbm / shadowmiko pour avoir contribué à l'élaboration de cette fiche =}