Physique-Chimie — Terminale

Cinétique chimique et catalyse — Terminale Physique-Chimie

Vitesse de réaction, facteurs cinétiques, lois de vitesse, temps de demi-réaction, catalyse homogène et hétérogène. Programme complet Terminale.

Par ProfBot

Cinétique chimique et catalyse — Terminale Physique-Chimie

🎯 Objectif : Comprendre comment évoluent les réactions chimiques dans le temps, maîtriser les facteurs cinétiques et la catalyse pour le Bac.


1. Introduction à la cinétique chimique

La cinétique chimique est l'étude de la vitesse des réactions chimiques et des mécanismes par lesquels elles se produisent.

Pourquoi certaines réactions sont-elles lentes ou rapides ?

La cinétique permet de comprendre et contrôler ces différences.


2. Avancement et taux d'avancement

L'avancement x

Pour une réaction : aA + bB → cC + dD

L'avancement x (mol) à l'instant t mesure la progression de la réaction :


n(A) = n₀(A) − a·x
n(B) = n₀(B) − b·x
n(C) = n₀(C) + c·x
n(D) = n₀(D) + d·x

Taux d'avancement τ


τ = x_final / x_max    (0 ≤ τ ≤ 1)

3. Vitesse de réaction

Définition

La vitesse volumique de réaction à l'instant t :


v = (1/V) × dx/dt    (mol·L⁻¹·s⁻¹)

En pratique, on mesure la variation de concentration d'un réactif ou produit :


v = −(1/a) × d[A]/dt = +(1/c) × d[C]/dt

Représentation graphique

Vitesse initiale v₀

Vitesse au tout début de la réaction (t = 0) : pente de la tangente à l'origine.


4. Facteurs cinétiques

4.1 La température

Augmenter la température accélère la réaction.

Explication : En augmentant T, les molécules ont une énergie cinétique plus grande → les chocs sont plus nombreux et plus énergétiques → plus de chocs efficaces (franchissement de la barrière d'activation Eₐ).

Règle approchée : La vitesse double environ tous les 10°C.

TempératureVitesse relative
0°C1
10°C2
20°C4
30°C8

4.2 La concentration des réactifs

Augmenter la concentration accélère la réaction.

Plus les réactifs sont concentrés → plus les chocs entre molécules sont fréquents → réaction plus rapide.

4.3 L'état de division / surface de contact

Pour les réactions hétérogènes (solide-liquide ou solide-gaz) :

4.4 La lumière (photosensibilité)

Certaines réactions sont accélérées par la lumière (photochimie) :


5. Lois de vitesse (ordre de réaction)

Loi de vitesse

Pour : A → produits

La vitesse peut s'écrire :


v = k × [A]ⁿ

Réaction d'ordre 1


v = k × [A]
[A](t) = [A]₀ × e^(−kt)

La concentration décroît exponentiellement. Exemple : décomposition radioactive, hydrolyse en milieu tampon.

Réaction d'ordre 2


v = k × [A]²
1/[A](t) = 1/[A]₀ + k·t

La concentration décroît moins vite qu'en ordre 1.

Réaction d'ordre 0


v = k    (indépendant de [A])
[A](t) = [A]₀ − k·t

Décroissance linéaire de la concentration.


6. Temps de demi-réaction t₁/₂

Définition

t₁/₂ est la durée au bout de laquelle la moitié du réactif limitant a été consommée :


[A](t₁/₂) = [A]₀ / 2

Pour une réaction d'ordre 1


t₁/₂ = ln 2 / k  ≈  0,693 / k

Le t₁/₂ est indépendant de [A]₀ — propriété caractéristique de l'ordre 1.

Pour une réaction d'ordre 2


t₁/₂ = 1 / (k × [A]₀)

Le t₁/₂ dépend de la concentration initiale.


7. Catalyse

Définition

Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction chimique sans être consommée au final (sa quantité est inchangée après la réaction).

Mécanisme d'action

Le catalyseur offre un chemin réactionnel alternatif avec une énergie d'activation plus faible :


Sans catalyseur :  Eₐ élevée → réaction lente
Avec catalyseur :  Eₐ' < Eₐ → réaction rapide

Important : Le catalyseur ne modifie pas l'état d'équilibre final, seulement la vitesse pour l'atteindre.

7.1 Catalyse homogène

Le catalyseur est dans la même phase que les réactifs (tous en solution ou tous gazeux).

Exemples :

7.2 Catalyse hétérogène

Le catalyseur est dans une phase différente des réactifs. Généralement : catalyseur solide + réactifs gazeux ou liquides.

Mécanisme : adsorption sur la surface

  1. Adsorption : les réactifs se fixent sur la surface du catalyseur
  2. Réaction : les molécules adsorbées réagissent plus facilement
  3. Désorption : les produits quittent la surface

Exemples industriels :

RéactionCatalyseur solide
Synthèse de l'ammoniac (Haber) : N₂ + 3H₂ → 2NH₃Fer (Fe)
Oxydation du SO₂ en SO₃V₂O₅ (pentoxyde de vanadium)
Pot catalytique (CO → CO₂)Platine, rhodium, palladium
Hydrogénation des huilesNickel (Ni)

7.3 Catalyse enzymatique

Les enzymes sont des catalyseurs biologiques (protéines) :

Exemple : La catalase décompose H₂O₂ → H₂O + O₂ dans les cellules.

Modèle clé-serrure : Le substrat (réactif) s'adapte parfaitement au site actif de l'enzyme.


8. Méthodes de suivi de réaction

MéthodeGrandeur mesuréeRéaction concernée
DosageConcentrationToutes
SpectrophotométrieAbsorbance (Beer-Lambert)Espèces colorées
ConductimétrieConductanceEspèces ioniques
ManométriePression (gaz)Réactions gazeuses
pH-métriepHAcides/bases

Loi de Beer-Lambert


A = ε × l × c

Exercices d'application

  1. La décomposition de H₂O₂ est d'ordre 1 avec k = 3,4 × 10⁻³ min⁻¹. Calculer le temps de demi-réaction.
  2. Pour une réaction d'ordre 0, [A]₀ = 0,40 mol/L et k = 0,02 mol·L⁻¹·min⁻¹. Calculer [A] après 10 min.
  3. Expliquer pourquoi un pot catalytique doit être chaud pour fonctionner efficacement.
  4. Tracer l'allure des courbes A pour les ordres 0, 1 et 2.
  5. La concentration d'un réactif passe de 0,80 mol/L à 0,40 mol/L en 15 minutes. Calculer k si la réaction est d'ordre 1.
  6. Une enzyme fonctionne à pH 7 et 37°C. Expliquer ce qui se passe si on chauffe la solution à 90°C.

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