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Formation de l’iodure d’hydrogène

En réalité, on a remarqué que selon le réacteur où la réaction s’effectue, la vitesse est
différente. Ceci ne peut s’expliquer que si on considère une série de 3 actes élémentaires :

I2 + M ⇄ 2 I + M
H2 + I ⇄ H2I
H2I + I → 2 HI
-------------------------------------
H I 2HI 2 2 + ®

Où M est la surface du réacteur dans lequel se déroule la réaction (joue le rôle de catalyseur). L’équation de vitesse est .[ ].[ ] 2 2 v = k H I

Revenons plus précisément sur chacune des réactions :

*1ère étape : C’est la liaison I-I qui se brise plutôt que la liaison H-H car cette dernière à une énergie de dissociation plus importante. On forme un intermédiaire de réaction (ou labile) marqué par une * sur la figure VII.

* 2e étape : On forme également un labile.

* 3e étape : Les deux labiles réagissent ensemble pour former le produit final de la réaction. Cet acte élémentaire est l’étape dite ‘déterminante’, c’est-à-dire l’étape la plus lente qui va imposer sa vitesse à la réaction.

Figure VII : formation de HI

PS : Un labile est un intermédiaire formé au cours d’une étape et utilisé lors de l’étape suivante (il n’apparaît donc pas dans le bilan)

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Mécanisme réactionnel

Jusqu’à présent, nous avons étudié les équations chimiques et les lois de vitesse. Néanmoins,
celles-ci ne nous disent pas comment les réactifs deviennent produits. Ce sont des résumés
macroscopiques d’un processus complexe. On va donc construire un mécanisme réactionnel,
soit une série d’étapes (actes élémentaires) par lesquelles une réaction chimique se déroule.
Précisons encore que l’équation cinétique résultante doit correspondre à l’équation cinétique
expérimentalement.


Ainsi, il parait évident que la maîtrise d’une réaction passe par la compréhension de ce
mécanisme.

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Interprétation macroscopique

Dans ce modèle, il y a 3 facteurs qui vont influencer la cinétique chimique : 

La concentration en réactifs :

  • La concentration en réactifs augmente la vitesse de la réaction.
  • Seule exception : la réaction d’ordre 0. 


L’utilisation d’un catalyseur :

L’utilisation d’un catalyseur modifie le chemin réactionnel en changeant la constante cinétique ‘k’. Par exemple, il peut abaisser l’énergie d’activation, modifie les angles de collision, …

 La température du système réactionnel :

La température augmente la vitesse des molécules, ce qui augmente la fréquence des collisions et donc la vitesse de réaction est accélérée (cas général). Néanmoins, dans certaines situations, une augmentation de la température peut diminuer la vitesse de réaction, c’est le cas notamment des réactions impliquant des catalyseurs. Dans cellesci, une élévation de la température défavorise l’adsorption, ce qui va diminuer la vitesse de réaction.

PS : La figure VI montre le déroulement d’une réaction impliquant un catalyseur : L’hydrogénation de l’éthylène.

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Interprétation microscopique

Pour qu'il y ait réaction, il faut que les molécules se rencontrent. Nous introduisons donc un facteur Z qui rend compte du nombre de chocs entre les molécules. Ce facteur augmente avec la vitesse des molécules (et donc avec la température, cfr. théorie cinétique des gaz).

A coté de cela, il faut encore que l'angle de contact entre les molécules permette à la réaction de se produire (rupture et création de liens). C'est le facteur géométrique P qui représente la probabilité pour que géométriquement le choc soit efficace (cfr. figure IV). Pratiquement il varie entre 10-8 et 1 (Pour les réactions entre atomes gazeux, P = 1. Pour des réactions entre molécules de plus en plus complexes, il devient de plus en plus petit).

Finalement, la réaction chimique consiste en une modification des liens chimiques. Il faut donc que les liens dans la molécule A et dans la molécule B soient rompus et que les liens de C et de D soient créés. Il existe donc un moment où, les liens de A et de B ne sont pas encore cassés complètement, et où les liens de C et D sont déjà partiellement créés. Cet état intermédiaire, hautement instable, est appelé le complexe activé et est très énergétique. Il y a donc, pour que la réaction se produise, une barrière de potentiel à franchir afin d’atteindre ce complexe activé (voir figure V). Pour cela il faut que les molécules A et B de départ possèdent une énergie suffisante.

Nous rappelons ici que l'énergie des particules en phase gazeuse est donnée par leur vitesse, et que toutes les molécules n'ont pas la même vitesse : la distribution de vitesse des molécules est donnée par l'équation de Maxwell-Boltzmann et la dépendance en l'énergie cinétique est une exponentielle décroissante. Cette exponentielle se retrouve donc dans l'équation cinétique.

Seules les particules présentant une certaine vitesse ont l'énergie cinétique suffisante pour que le complexe activé puisse être atteint, comme le montre la figure IV.

La détermination expérimentale de cette énergie d'activation se fait en étudiant la réaction à différentes températures.

Nous portons ensuite le logarithme népérien de k en fonction de l'inverse de la température et la pente de la droite obtenue nous donne le terme (-Ea/R) où R est la constante des gaz. Le dernier facteur est la fréquence des collisions en phase gazeuse qui est influencée, entre autres, par la concentration en réactifs ou la température (qui augmente la vitesse des molécules).

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Facteurs cinétiques

Nous présentons ici un modèle simple qui relie la vitesse de la réaction à la mécanistique moléculaire de la réaction chimique.

Si nous supposons une réaction entre deux molécules A et B en phase gazeuse. Celles-ci se recombinent en une seule étape pour donner des molécules C et D. Dans ce cas, la réaction est dite « acte élémentaire » et peut s'écrire : A + B -> C + D

La vitesse s'exprime par :

v = k [A][B] où les ordres de réactions par rapport à A et B sont unitaire, donc identique aux coefficients stoechiométriques.

Cette réaction est conceptuellement simple : il faut en effet que A et B se rencontrent pour qu'il y ait réaction. Plus il y aura de A et de B dans le réacteur, plus vite la réaction ira. C'est la dépendance en les concentrations. La constante cinétique k représente les termes ne dépendant pas des concentrations.

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Méthode par intégration

Cette méthode n’est utilisable que si les autres réactifs ne perturbent pas la vitesse de réaction. Ainsi, il faut rendre négligeable la variation de concentration des autres réactifs. On peut y parvenir en plaçant les autres réactifs en large excès.

Cela signifie que si l'ordre de réaction vaut 0, la concentration en A décroît linéairement au cours du temps.

Ce qui signifie que si l'ordre de réaction vaut 1, le logarithme de la concentration décroît linéairement au cours du temps.

Ce qui signifie que si l'ordre de réaction vaut 2, l’inverse de la concentration décroît linéairement au cours du temps.

Pour déterminer l'ordre de la réaction, il suffit donc de porter la concentration, le logarithme de la concentration ou l'inverse de la concentration en fonction du temps. Attention, ce sont les concentrations des réactifs qui sont d'intérêt. La figure III montre un tableau récapitulatif des différents ordres.

Comment peut on expliquer un ordre zéro ?

Le plus bel exemple est une réaction avec catalyseur. Dans ce genre de réaction, c’est la fixation du réactif sur celui-ci qui selected la formation des produits. Ainsi, la place limitée sur celui-ci, va rendre la vitesse constante. En effet, lorsqu’il n’y a plus de place disponible sur le catalyseur, la vitesse de la réaction n’évolue plus même si la concentration de A augmente.

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