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TEMPS ET CHIMIE - leçon n° 1

Cette leçon comporte quatre paragraphes.

Parmi les réactions chimiques qui sont naturelles (permises par les lois de la thermodynamique) certaines sont quasi instantanées, d'autres sont lentes, voire infiniment lentes. L'étude de l'évolution des systèmes chimiques au cours du temps constitue la cinétique chimique. Dans les paragraphes ci-dessous nous définirons la vitesse moyenne et la vitesse instantanée de formation d'un produit ou de disparition d'un réactif.

 

1- RAPPELS


· Réactifs et produits

La réaction naturelle d'oxydation du fer par le diode en solution a pour équation-bilan :

I2 + Fe ® 2 I - + Fe ++

Dans cette réaction les réactifs sont I2 et Fe alors que les produits formés sont I - et Fe ++.

· Concentration d'une solution. Concentration molaire d'un constituant.

On dissout n = 0,01 mole du solide ionique FeCl3 ( cristal formé d'ions Fe +++ et Cl - ) dans de l'eau pour obtenir V = 200 mL = 0,200 L de solution.

- La concentration molaire de la solution de chlorure ferrique est :

C = n / V = 0,01 / 0,200 = 0,05 mol / L

Le symbole de mole est mol, le symbole de litre est L (seul nom commun représenté par une majuscule afin d'éviter la confusion avec le chiffre 1).

- L'équation-bilan de la dissolution s'écrit :

FeCl3 Fe +++ + 3 Cl -

0,01 mole du solide ionique FeCl3 donne 0,01 mole d'ions Fe +++ et 0,03 mole d'ions Cl - en solution.

- La concentration molaire du constituant ion ferrique en solution est notée [ Fe +++ ] :

[ Fe +++ ] = n ( Fe +++ ) / V = 0,01 / 0,200 = 0,05 mol / L

- La concentration molaire de l'ion chlorure en solution est notée [ Cl - ] :

[ Cl - ] = n ( Cl - ) / V = 0,03 / 0,200 = 0,15 mol / L

- Ecrire [ FeCl3 ] n'a pas de sens car, en solution, il n'y a pas l'espèce FeCl3. Les seules espèces présentes dans la solution aqueuse sont les ions Fe +++ et Cl -.

· Concentration massique ou titre massique d'une solution

On dissout n = 0,01 mole du solide ionique FeCl3 ( cristal formé d'ions Fe +++ et Cl - ) dans de l'eau pour obtenir V = 200 mL = 0,200 L de solution. On donne les masses molaires atomiques de Fe : 56 g / mol et Cl : 35,5 g / mol.

- La masse molaire de FeCl3 est M ( FeCl3 ) = 56 + 35,5 ´ 3 = 162,5 g / mol.

- La masse de n = 0,01 mole de chlorure ferrique dissous est m = n ´ M = 0,010 ´ 162,5 = 1,625 g

- La concentration massique de la solution est :

t ( FeCl3 ) = m / V = 1,625 / 0,200 = 8,125 g / L

Remarque : Entre le titre massique t et la concentration molaire C existe le relation :

t = m / V = n ´ M / V = (n / V) ´ M soit :

t = C ´ M

Dans l'exemple ci-dessus on vérifie bien que :

t ( FeCl3 ) = C ( FeCl3 ) ´ M ( FeCl3 )

8,125 = 0,05 ´ 162,5


2- VITESSE VOLUMIQUE DE FORMATION D'UN PRODUIT


Raisonnons sur l’exemple de l’oxydation des ions iodures par l’eau oxygénée :

(1) 2 I - + H 2O 2 + 2 H + ® I 2 + 2 H 2O ( réaction lente qui a lieu en phase liquide aqueuse )

Le volume liquide restant constant on peut parler de vitesses volumiques.

En chimie les valeurs des vitesses sont toujours positives.


· Vitesse volumique instantanée de formation d'un produit

Définition : La vitesse volumique instantanée de formation du diiode I2, à l'instant de date t, est égale à la valeur, à la date t, de la dérivée par rapport au temps de la fonction [ I2 ] = f ( t ).

V formation I2 ( t ) = ½ ½ =

Ici ½ ½ = car le produit I2 se forme en quantité croissante. La dérivée est donc positive. Le signe valeur absolue est donc, ici, facultatif.

Propriété : La vitesse volumique instantanée de formation du diiode I2, à la date t, est égale au coefficient directeur de la tangente à la courbe [ I2 ] = f ( t ) au point d'abscisse t.

La fonction [ I2 ] = f ( t ) est croissante. Le coefficient directeur de la tangente est, ici, positif.

(Voir un exemple à la question 4 du Problème 1 B)

 
· Vitesse volumique moyenne de formation d'un produit

 Définition : La vitesse volumique moyenne de formation du diiode entre les dates t1 et t2 est, par définition :

Propriété : Cette vitesse volumique moyenne est égale au coefficient directeur de la sécante passant par les deux points de la courbe d’abscisse t 1 et t 2.

(Voir un exemple à la question 5 du problème 1 B )


· Unités

- L’unité internationale de vitesse (mol / m3.s) est peu utilisée.

On préfère employer la mol / L.s ou la mol / L.min.

On écrit aussi mol L - 1 s - 1 ou mol L - 1 min - 1

- Parfois on utilise la vitesse de formation V ( I 2 ) = en mol / s (notamment si le volume varie ou si le produit formé est un solide).

· Oxydoréduction : Pour un rappel sur les réactions d'oxydoréduction voir le problème 1 A


3. VITESSE VOLUMIQUE DE DISPARITION D'UN REACTIF


· Vitesse volumique instantanée de disparition d'un réactif

Définition : La vitesse volumique instantanée de disparition du réactif I - est :

V ( I - ) = ½ ½ ou bien V ( I - ) = -

La concentration [ I - ] diminue lorsque le temps s’écoule, sa dérivée par rapport au temps est donc négative mais, en chimie, les vitesses doivent être positives d’où l’emploie de la valeur absolue ou du signe négatif.

Propriété : La vitesse volumique instantanée de disparition du réactif I -, à la date t, est égale à la valeur absolue du coefficient directeur de la tangente à la courbe [ I - ] = g ( t ) au point d'abscisse t.


· Vitesse volumique moyenne de disparition d'un réactif

- On peut également définir la vitesse volumique moyenne de disparition de I - entre les dates t1 et t2

V moyenne ( I - ) entre t1 et t2 =

· Compléments

- Parfois on utilise la vitesse de disparition V ( I - ) = ½ ½ en mol / s.

- Souvent le volume V est constant, on peut alors écrire :

=

Cette équation relie la vitesse de disparition du réactif I - et la vitesse volumique de disparition du même réactif.

- Reprenons l’équation (1) 2 I - + H 2O 2 + 2 H + ® I 2 + 2 H 2O

Les coefficients stœchiométriques de cette équation sont 2, 1, 2 et 1, 2.

On en déduit :

 

4- TEMPS DE DEMI-REACTION 


Le temps de demi-réaction T
1 / 2 est le temps nécessaire pour consommer la moitié du réactif limitant initialement présent (voir un exemple de calcul à la question 6 du problème 1 B).

Rappel : Reprenons l'exemple de la réaction naturelle d'oxydation du fer par le diode en solution qui a pour équation-bilan :

I2 + Fe ® 2 I - + Fe ++

- Si l'on met en présence 1 mole de I2 et 1 mole de Fe on dit que les réactifs sont pris en quantités stœchiométriques.

- Si l'on met en présence 3 moles de I2 et 5 moles de Fe on voit que le réactif limitant est I2 .

 

A VOIR :

Problème résolu n° 1-A : Révision sur les réactions d'oxydoréduction

Problème résolu n° 1-B : Oxydation des ions iodure par l'eau oxygénée (Bac)

Problème n° 1-C (à résoudre) : Cinétique de l'oxydation du zinc par H3O +

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