Chimie

Vitesses de réactions et concentrations molaires

On observe expérimentalement qu’en milieu homogène les vitesses de réactions dépendent :

• d’une part des concentrations molaires des constituants ;
• d’autre part de la température. Ce sont les facteurs cinétiques.

Si l’on considère, dans un premier temps, la température constante et uniforme dans le réacteur, la vitesse ne dépend plus que des concentrations molaires. Cette dépendance est a priori quelconque, plus ou moins complexe, et peut faire apparaître les concentrations tant des réactifs que des produits. Cependant, dans de nombreux cas la relation revêt une forme assez simple, du type :

Comment suivre l’évolution au cours du temps d’un système formé d’ions iodure et péroxodisulfate

Objectifs

• Interpréter une réaction chimique en termes de chocs efficaces entre entités microscopiques.
• Interpréter l’influence des facteurs cinétiques à l’échelle microscopique.

Quelques définitions

Il arrive que deux molécules $M_1$ et $M_2$ s’entrechoquent (la probabilité de collision faisant intervenir plus de deux molécules est très faible, les réactions chimiques se décomposent donc plutôt, au niveau microscopique, en plusieurs actes dits « élémentaires » à deux entités). Lors de ce choc, les molécules $M_1’$ et $M_2’$ peuvent éventuellement se former. On représente graphiquement cet évènement ainsi :

Réactions chimiques lentes, réactions chimiques rapides

Cinétique chimique

Chaque système chimique évolue à une certaine vitesse. L’étude de l’évolution temporelle des systèmes chimiques constitue la « cinétique chimique ».

Classification

$\gdef\barcirc{{\mathrlap{\mathchoice{\kern{0.145em}}{\kern{0.145em}}{\kern{0.1015em}}{\kern{0.1015em}}\circ}{-}}}$

À la fin du XVI^e siècle, beaucoup de marins succombaient au scorbut. Cette mortalité était due à une carence en vitamine C aussi appelée « acide ascorbique ». Il s’agit d’un acide organique ayant entre autres des propriétés anti-oxydantes. Il est présent dans les citrons, les jus de fruits et les légumes frais. Le nom « ascorbique » vient du préfixe grec a (privatif) et de scorbut, signifiant littéralement anti-scorbut.
La vitamine C intervient dans de nombreuses réactions d’oxydo-réduction dans l’organisme, dans le métabolisme du fer et des acides aminés.

On trouve dans un document publié par l’Institut suisse de prévention de l’alcoolisme (ISPA) les informations suivantes :
Quand une personne consomme de l’alcool, celui-ci commence immédiatement à passer dans le sang. Plus le passage de l’alcool dans le sang est rapide, plus le taux d’alcool dans le sang augmentera rapidement, et plus vite on sera ivre. L’alcool est éliminé en majeure partie par le foie. Dans le foie, l’alcool est éliminé en deux étapes grâce à des enzymes. Dans un premier temps, l’alcool est transformé en éthanal par l’enzyme alcool déshydrogénase (ADH). L’éthanal est une substance très toxique, qui provoque des dégâts dans l’ensemble de l’organisme. Il attaque les membranes cellulaires et cause des dommages indirects en inhibant le système des enzymes. Dans un deuxième temps, l’éthanal est métabolisé par l’enzyme acétaldéhyde déshydrogénase (ALDH).

La pièce de 5 centimes d’euro est composée d’un centre en acier (constitué essentiellement de fer et de carbone) entouré de cuivre. Elle a un diamètre de $\pu{21,25 mm}$, une épaisseur de $\pu{1,67 mm}$ et une masse de $\pu{3,93 g}$.
On cherche par une méthode spectrophotométrique à déterminer la teneur en cuivre d’une telle pièce.

Le cuivre, de masse molaire $\pu{63,5 g.mol-1}$, est un métal qui peut être totalement oxydé en ions cuivre (II) par un oxydant puissant tel que l’acide nitrique selon la réaction d’équation : $$ \ce{3 Cu(s) + 8 H^+(aq) + 2 NO3^-(aq) -> 3 Cu^{2+}(aq) + 4 H2O(l) + 2 NO(g)} $$ Les ions cuivre (II) formés se retrouvent intégralement dissous en solution ; le monoxyde d’azote $\ce{NO}$ est un gaz peu soluble dans l’eau.
En pratique, on dépose une pièce de 5 centimes dans un erlenmeyer de $\pu{100 mL}$, on place cet erlenmeyer sous la hotte et on met en fonctionnement la ventilation. Équipé de gants et de lunettes de protection, on verse dans l’erlenmeyer $\pu{20 mL}$ d’une solution d’acide nitrique d’une concentration environ égale à $\pu{7 mol.L-1}$.
La pièce est alors assez vite oxydée et on obtient une solution notée $S_1$. On transfère intégralement cette solution $S_1$ dans une fiole jaugée de $\pu{100 mL}$ et on complète cette dernière avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge. On obtient une solution $S_2$ qui contient également des ions fer (III) provenant de la réaction entre l’acide nitrique et le fer contenu dans le centre d’acier de la pièce. L’absorbance de la solution $S_2$ à $\pu{800 nm}$ est mesurée, elle vaut $A = \pu{0,575}$.

$\gdef\barcirc{{\mathrlap{\mathchoice{\kern{0.145em}}{\kern{0.145em}}{\kern{0.1015em}}{\kern{0.1015em}}\circ}{-}}}$

L’ammoniac $\ce{NH3}$ est un gaz qui, dissous dans l’eau, donne une solution basique d’ammoniaque. Des solutions d’ammoniaque sont vendues dans le commerce. Ces solutions, après dilution, sont utilisées comme produit nettoyant et détachant.

L’ammoniac, une base

On prélève un volume gazeux d’ammoniac $V = \pu{2,4e–1 L}$, sous la pression $\pu{1 015 hPa}$ à la température de $\pu{20 °C}$, que l’on dissout dans de l’eau distillée pour obtenir $V_{S1} = \pu{1,0 L}$ de solution aqueuse d’ammoniac $S_1$. Le pH de la solution $S_1$ est mesuré et a pour valeur 10,6.