Analyse de la Vitesse de Réaction
Comprendre la Cinétique Chimique
La cinétique chimique est l'étude des vitesses des réactions chimiques et des facteurs qui les influencent (concentration des réactifs, température, présence de catalyseurs, etc.). La vitesse d'une réaction peut être exprimée comme la variation de la concentration d'un réactif ou d'un produit par unité de temps. La relation entre la vitesse d'une réaction et les concentrations des réactifs est donnée par la loi de vitesse, qui est déterminée expérimentalement. Cette loi inclut une constante de vitesse (\(k\)) et les ordres de réaction par rapport à chaque réactif, qui indiquent comment la vitesse est affectée par un changement de concentration de ce réactif. L'ordre global de la réaction est la somme des ordres partiels.
Données de l'étude
| Expérience | \([\text{NO}]_{\text{initial}}\) (\(\text{mol/L}\)) | \([\text{O}_2]_{\text{initial}}\) (\(\text{mol/L}\)) | Vitesse initiale de formation de \(\text{NO}_2\) (\(\text{mol L}^{-1} \text{s}^{-1}\)) |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.010 | 0.010 | \(7.0 \times 10^{-5}\) |
| 2 | 0.020 | 0.010 | \(2.8 \times 10^{-4}\) |
| 3 | 0.010 | 0.020 | \(1.4 \times 10^{-4}\) |
Schéma : Réaction entre NO et O₂
Représentation schématique de la réaction entre le monoxyde d'azote et le dioxygène.
Questions à traiter
- Déterminer l'ordre de la réaction par rapport au monoxyde d'azote (NO).
- Déterminer l'ordre de la réaction par rapport au dioxygène (\(\text{O}_2\)).
- Écrire la loi de vitesse de la réaction.
- Calculer la valeur de la constante de vitesse (\(k\)) et préciser ses unités.
- Quelle serait la vitesse initiale de formation de \(\text{NO}_2\) si les concentrations initiales étaient \([\text{NO}]_0 = 0.015 \, \text{mol/L}\) et \([\text{O}_2]_0 = 0.025 \, \text{mol/L}\) ?
Correction : Analyse de la Vitesse de Réaction
Question 1 : Ordre de la Réaction par rapport à NO
Principe :
Pour déterminer l'ordre de la réaction par rapport à un réactif, on compare deux expériences où la concentration de ce réactif varie tandis que les concentrations des autres réactifs restent constantes. La loi de vitesse générale est \(v = k[\text{NO}]^x[\text{O}_2]^y\). On cherche la valeur de \(x\).
Comparons les expériences 1 et 2 : \([\text{O}_2]\) est constante (\(0.010 \, \text{mol/L}\)), tandis que \([\text{NO}]\) double (de \(0.010\) à \(0.020 \, \text{mol/L}\)).
Calculs :
Vitesse pour l'expérience 1 : \(v_1 = k(0.010)^x(0.010)^y = 7.0 \times 10^{-5}\)
Vitesse pour l'expérience 2 : \(v_2 = k(0.020)^x(0.010)^y = 2.8 \times 10^{-4}\)
Faisons le rapport \(v_2/v_1\) :
Puisque \(2^2 = 4\), on a \(x=2\).
Question 2 : Ordre de la Réaction par rapport à \(\text{O}_2\)
Principe :
On compare deux expériences où la concentration de \(\text{O}_2\) varie tandis que celle de NO reste constante. On cherche la valeur de \(y\) dans \(v = k[\text{NO}]^x[\text{O}_2]^y\).
Comparons les expériences 1 et 3 : \([\text{NO}]\) est constante (\(0.010 \, \text{mol/L}\)), tandis que \([\text{O}_2]\) double (de \(0.010\) à \(0.020 \, \text{mol/L}\)).
Calculs :
Vitesse pour l'expérience 1 : \(v_1 = k(0.010)^x(0.010)^y = 7.0 \times 10^{-5}\)
Vitesse pour l'expérience 3 : \(v_3 = k(0.010)^x(0.020)^y = 1.4 \times 10^{-4}\)
Faisons le rapport \(v_3/v_1\) :
Donc, \(y=1\).
Quiz Intermédiaire 1 : Si la concentration d'un réactif A est triplée et que la vitesse de réaction est multipliée par 9 (les autres concentrations restant constantes), quel est l'ordre de la réaction par rapport à A ?
Question 3 : Loi de Vitesse de la Réaction
Principe :
La loi de vitesse s'écrit en utilisant les ordres partiels déterminés précédemment.
Expression :
Avec \(x=2\) (pour NO) et \(y=1\) (pour \(\text{O}_2\)), la loi de vitesse est :
L'ordre global de la réaction est \(x+y = 2+1 = 3\).
Question 4 : Calcul de la Constante de Vitesse (\(k\)) et ses Unités
Principe :
On peut utiliser les données de n'importe quelle expérience pour calculer \(k\) une fois la loi de vitesse établie.
Utilisation des données de l'expérience 1 :
- \(v_1 = 7.0 \times 10^{-5} \, \text{mol L}^{-1} \text{s}^{-1}\)
- \([\text{NO}]_1 = 0.010 \, \text{mol/L}\)
- \([\text{O}_2]_1 = 0.010 \, \text{mol/L}\)
Unités de \(k\) :
L'ordre global est 3. Les unités de \(k\) pour un ordre global \(n\) sont \((\text{concentration})^{1-n} (\text{temps})^{-1}\).
Ici, \(n=3\), donc \(1-n = -2\). Les unités sont \((\text{mol/L})^{-2} \text{s}^{-1}\) ou \(\text{L}^2 \text{mol}^{-2} \text{s}^{-1}\).
Quiz Intermédiaire 2 : Si une réaction est d'ordre 1 globalement et que la concentration est en mol/L et le temps en secondes, quelles sont les unités de la constante de vitesse k ?
Question 5 : Prédiction de la Vitesse Initiale
Principe :
On utilise la loi de vitesse déterminée et la valeur de \(k\) calculée avec les nouvelles concentrations initiales.
Données spécifiques :
- \([\text{NO}]_0 = 0.015 \, \text{mol/L}\)
- \([\text{O}_2]_0 = 0.025 \, \text{mol/L}\)
- \(k = 70 \, \text{L}^2 \text{mol}^{-2} \text{s}^{-1}\)
Calcul :
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. La vitesse d'une réaction chimique est définie comme :
2. L'ordre d'une réaction par rapport à un réactif spécifique :
3. La constante de vitesse \(k\) d'une réaction :
Glossaire
- Vitesse de Réaction
- Mesure de la rapidité avec laquelle les réactifs sont consommés ou les produits sont formés au cours d'une réaction chimique. Elle est généralement exprimée en variation de concentration par unité de temps (ex: \(\text{mol L}^{-1} \text{s}^{-1}\)).
- Loi de Vitesse
- Expression mathématique qui relie la vitesse d'une réaction aux concentrations des réactifs et à la constante de vitesse. Pour une réaction \(a\text{A} + b\text{B} \rightarrow \text{Produits}\), la loi de vitesse est souvent de la forme \(v = k[\text{A}]^x[\text{B}]^y\).
- Ordre de Réaction (Partiel)
- Exposant auquel la concentration d'un réactif particulier est élevée dans la loi de vitesse (par exemple, \(x\) est l'ordre par rapport à A). Il indique l'influence de la concentration de ce réactif sur la vitesse.
- Ordre Global de la Réaction
- Somme des ordres de réaction partiels de tous les réactifs apparaissant dans la loi de vitesse (ex: \(x+y\)).
- Constante de Vitesse (\(k\))
- Constante de proportionnalité dans la loi de vitesse. Sa valeur est spécifique à une réaction donnée et dépend de la température, mais pas des concentrations des réactifs.
- Méthode des Vitesses Initiales
- Technique expérimentale utilisée pour déterminer la loi de vitesse d'une réaction en mesurant les vitesses initiales de la réaction pour différentes concentrations initiales des réactifs.
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