Cinétique chimique

Expression mathématique de la vitesse de réaction

En cinétique chimique, la vitesse de réaction traduit la rapidité avec laquelle les substances initiales (réactifs) sont consommées ou les substances finales (produits) sont accumulées. Illustrons ce principe par l'exemple classique de la synthèse de l'iodure d'hydrogène, où une molécule d'hydrogène réagit avec une molécule d'iode : $H_2 + I_2 = 2HI$.

Mathématiquement, ce processus est décrit par le rapport entre la variation de concentration ($\Delta c$) et un intervalle de temps donné ($\Delta t$). Étant donné que les réactifs sont inévitablement consommés au cours du processus, leur concentration diminue. Pour que la valeur finale de la vitesse reste positive, un signe moins est systématiquement placé devant la fraction pour les réactifs dans les formules :

• Pour l'hydrogène ($H_2$) : $v_1 = - \frac{\Delta c(H_2)}{\Delta t}$
• Pour l'iode ($I_2$) : $v_2 = - \frac{\Delta c(I_2)}{\Delta t}$

Pour le produit de la réaction (l'iodure d'hydrogène), c'est l'inverse : sa concentration ne fait qu'augmenter avec le temps. Par conséquent, le signe moins n'est pas nécessaire ici et la formule devient : $v_3 = \frac{\Delta c(HI)}{\Delta t}$. Ainsi, la dynamique du système peut être suivie à l'aide de n'importe lequel de ses participants.

Nature des collisions moléculaires

Imaginons un processus chimique se déroulant dans un mélange gazeux ou liquide. Dans ces états d'agrégation, les particules sont en mouvement chaotique incessant, ce qui entraîne un nombre colossal de contacts mutuels. Pour se faire une idée de l'échelle : dans l'air ordinaire, chaque molécule subit environ 400 millions de collisions en une seule seconde.

Si absolument chaque collision de ce type entraînait inévitablement une transformation chimique, toutes les réactions se termineraient presque instantanément. Cependant, dans la pratique réelle, tant en laboratoire que dans la nature, nous observons un tout autre tableau : la plupart des processus chimiques se déroulent à une vitesse mesurable, souvent très lente. La raison principale de ce phénomène réside dans le fait que la grande majorité des collisions qui se produisent sont inefficaces — les particules se repoussent simplement et cela ne conduit pas à une transformation chimique.

Énergétique d'une collision efficace

Pour qu'une collision moléculaire devienne fructueuse et aboutisse à une réaction, une condition très stricte doit être remplie. Les particules qui se heurtent doivent disposer d'une réserve suffisante d'énergie cinétique ($E_{cin} = \frac{m \cdot v^2}{2}$, en tenant compte de la masse et de la vitesse).

Le processus de transformation lors d'un choc efficace se déroule selon l'algorithme suivant :

1. Au moment du contact physique, il se produit une forte déformation des nuages électroniques des particules.
2. Au cours de cette déformation, l'énergie cinétique du mouvement de translation se transforme en énergie potentielle du système.
3. Si l'augmentation finale de l'énergie potentielle est suffisamment importante, un réarrangement interne profond est déclenché.

En conséquence, toute la structure électronique est modifiée : les anciennes liaisons chimiques qui maintenaient les atomes dans les réactifs initiaux sont rompues de manière irréversible. Immédiatement après, de nouvelles liaisons se forment, constituant les molécules des produits de réaction.

À étudier également sur le sujet

• Analyse approfondie des facteurs influençant la vitesse de réaction (température, pression, concentration).
• Le rôle des catalyseurs dans la modification de l'énergie requise pour une collision réussie.
• Mécanismes de rupture progressive et de formation synchrone de nouvelles liaisons chimiques.
• Relation entre l'énergie cinétique des particules et la température du mélange réactionnel.
• Théorie des collisions actives et calcul de la proportion de chocs efficaces.

Autres sujets de la section « Chapitre 6. Régularités du déroulement des réactions chimiques »

Matériel préparé par les enseignants de WhiteCoat Pro selon le programme d'enseignement des universités médicales. À caractère pédagogique.