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PROF: Mr BECHA Adel ( prof principal)

4 eme Sciences exp , maths et technique Matire : Sciences physiques www.physique.ht.cx

Suivi temporel d'une transformation chimique: vitesse

de raction

I. Avancement d'une raction chimique.

1. Dfinition.

Considrons la raction chimique dont l'quation est: aA + bB cC + dD o A et B sont les

ractifs, C et D les produits et a, b, c et d sont les nombres stochiomtriques.

Les notations utilises dans la suite sont rsumes ci-dessous:

x : avancement de la raction

n(A)0 : quantit de matire initiale de A

n(A) : quantit de matire de A la date t

n(A)f : quantit de matire finale de A

Il en est de mme pour les autres espces.

Le tableau d'avancement de la raction, limit l'tat initial (E.I) et l'tat l'instant t (E.t) du

systme, est:

quation de la raction aA + bB cC + dD

E.I (mol) n(A)0 n(B)0 n(C)0=0 n(D)0=0

E.t (mol)

l'avancement est x n(A)=n(A)0-ax n(B)=n(B)0-bx n(C)=cx n(D)=dx

D'aprs le tableau prcdent:

Par dfinition, la valeur commune x de ces rapports est appele avancement de la raction.

2. Relation entre avancement et concentration molaire volumique.

Considrons uniquement le cas particulier d'une raction ayant lieu en solution aqueuse telle

que le volume V de la solution soit constant.

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[X] =

n(X)

V

avec

[X]: concentration molaire (en mol.L-1

)

n(X): quantit de matire de l'espce X en solution (en mol)

V: volume de la solution (en L)

D'aprs ce qui prcde, en divisant tous les termes de la relation de dfinition de l'avancement

par V:

II. Vitesse dune raction, vitesse volumique.

1. Dfinition

Vitesse moyenne pendant t

Par dfinition Vmoy=x/t

Vitesse moyenne volumique Vvmoy = 1/V x/t

Vitesse instantane

Par dfinition Vi=dx/dt vitesse la date t

La vitesse volumique est

Vvi = 1/V dx/dt

avec

v: vitesse volumique de raction (en mol.m-3

.s-1

)

V: volume de la solution (en m3)

dx: variation de l'avancement (en mol)

dt: dure de la variation (en s)

Remarques: Il arrive frquemment que le volume V soit exprim en litre. La vitesse de

raction est alors exprime en mol.L-1

.s-1

.

Si la transformation est lente ou trs lente la dure peut tre exprime en minute

ou en heure. La vitesse de raction est alors exprime en mol.L-1

.min-1

ou en

mol.L-1

.h-1

.

Le rapport dx/dt reprsente la drive par rapport au temps de l'avancement.

2. Dtermination de la vitesse volumique de raction.

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1. Ce qu'il faut connatre pour dterminer v.

D'aprs la relation de dfinition , il faut connatre V et la fonction x=f(t). Cette fonction peut

tre connue soit:

Par son graphe (il est donn dans certains exercices),

Par un tableau de mesures prsentant les valeurs des couples {ti ; xi} (il est donn dans

certains exercices),

A l'aide du tableau d'avancement de la raction. Il faut alors connatre,soit par une

mthode chimique soit par une mthode physique, l'volution de la concentration de

l'un des ractifs ou de l'un des produits de la transformation.

2. Mthodes

.

Graphiquement: On trace la tangente la courbe x=f(t) la date t choisie. La valeur du

rapport dx/dt est gal au coefficient directeur de cette tangente.

On divise alors cette valeur par la valeur de V (volume de la solution).

Par le calcul: Un tableur calcule directement la vitesse v partir des valeurs de V, ti et

xi.

3. Evolution de la vitesse de raction au cours du temps.

Au cours du temps les ractifs disparaissent donc leur concentration diminue. Or nous avons

dj vu que la concentration des ractifs est un facteur cintique. Plus la concentration des

ractifs est faible plus la raction est lente. Donc, en gnral, au cours du temps la vitesse de

raction diminue.

III. Temps de demi-raction.

1. Dfinition.

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Le temps de demi-raction est la dure au bout de laquelle l'avancement x est gal la moiti

de l'avancement final.

Si la transformation est totale, ce qui correspond la disparition du ractif limitant,

l'avancement final est l'avancement maximal alors:

Quand t = t1/2, x =

xmax

2

2. Dtermination de t1/2.

On calcule xmax partir du ractif limitant dans le tableau d'avancement. On en dduit:

x =

xmax

2

En reportant cette valeur sur la courbe x=f(t) on dduit par simple lecture graphique la valeur

de t1/2.

IV. Mthodes utilises en cintique chimique.

Il s'agit des mthodes permettant de suivre l'volution d'une transformation chimique et en

particulier de dterminer x=f(t) et la vitesse de la raction.

1. Mthodes chimiques.

Il faut titrer soit l'un des ractifs soit l'un des produits de faon ce qu'avec l'aide du

tableau d'avancement on puisse dterminer x=f(t).

L'tude est effectue en discontinu,

Il faut effectuer des prlvements dans le milieu ractionnel ou disposer de plusieurs

chantillons. Dans tous les cas il faut travailler sur des quantits relativement

importantes.

2. Mthodes physiques.

Il est possible d'utiliser cette mthode lorsque certaines grandeurs physiques mesurables dans

le milieu ractionnel dpendent de la concentration de certaines espces prsentes. Voici

quelques unes de ces mthodes:

Conductimtrie: Pour les milieux ractionnels contenant des ions subissant une

transformation, la mesure de la conductivit permet d'accder la concentration de ces

ions.

pH-mtrie: Pour les milieux ractionnels contenant des ions oxonium H+

(aq) ou H3O+

subissant une transformation, la mesure du pH donne accs la concentrations de ces

ions.

Mesure de volume ou de pression lorsqu'un gaz est mis en jeu.

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Spectrophotomtrie: Utilise lorsque l'une des espces mises en jeu (ractif ou

produit) est colore. Ces mthodes sont de plus en plus utilises pour les raisons

suivantes:

Les mesures se font en continu,

Elles sont rapides,

Elle ncessitent de faibles quantits de matire.

V. Facteurs cintiques.

1. Dfinition.

Un facteur cintique est une grandeur qui influe sur la dure d'une transformation chimique

(qui modifie la vitesse avec laquelle se produit une transformation chimique).

A notre niveau nous considrerons deux facteurs cintiques.

2. La temprature.

D'une manire gnrale, plus la temprature du milieu ractionnel est leve, plus la

transformation est rapide. Inversement plus la temprature du milieu est basse plus la

transformation est lente.

Applications: On acclre certaines transformations dans l'industrie pour les rendre plus

rentables.

On refroidit brutalement certains milieux ractionnels pour "arrter" certaines

transformations (on ralise ainsi ce qu'on appelle une "trempe").

Un rfrigrateur et un conglateur permettent de ralentir les transformations de

dgradation biochimiques des aliments.

Dans l'exemple ci-dessous, les ions permanganate en milieu acide ragissent avec l'acide

oxalique (thanedioque). Dans le bcher de droite le mlange est plong dans un bain Marie

40C. Dans le bcher de gauche le mlange est plong dans un bain Marie 20C.

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3. La concentration initiale des ractifs.

D'une manire gnrale, plus les concentrations initiales des ractifs sont leves plus la

transformation est rapide.

Dans l'exemple ci-dessous, la raction entre les ions thiosulfate et les ions oxonium produit du

soufre en suspension qui rend la solution opaque. A droite la concentration initiale en ions

thiosulfate est deux fois plus leve qu' gauche.