Exercices et corrigés

Etude de Chimie

Analyse du Chemin de Réaction

Analyse du Chemin de Réaction en Chimie Théorique

Analyse du Chemin de Réaction en Chimie Théorique

Comprendre l'Analyse du Chemin de Réaction

L'analyse du chemin de réaction est une composante essentielle de la chimie théorique et de la cinétique chimique. Elle vise à décrire comment les réactifs se transforment en produits en passant par un ou plusieurs états de transition. Un état de transition est une configuration atomique de haute énergie qui se situe au sommet d'une barrière énergétique sur le chemin de réaction. L'énergie nécessaire pour atteindre cet état à partir des réactifs est appelée l'énergie d'activation (\(E_a\)). La différence d'énergie entre les produits et les réactifs est l'énergie de réaction (\(\Delta E_{\text{réaction}}\)), qui indique si la réaction est exothermique (libère de l'énergie) ou endothermique (absorbe de l'énergie). La compréhension de ces paramètres permet de prédire la faisabilité et la vitesse d'une réaction chimique.

Données du Problème

Considérons la réaction unimoléculaire hypothétique suivante : \(\text{A} \rightarrow \text{B}\). Les énergies relatives des espèces impliquées ont été calculées théoriquement :

  • Énergie du réactif A (\(E_A\)) : \(15 \, \text{kJ/mol}\)
  • Énergie de l'état de transition (\(E_{\text{TS}}\)) : \(85 \, \text{kJ/mol}\)
  • Énergie du produit B (\(E_B\)) : \(-10 \, \text{kJ/mol}\)

Ces énergies sont données par rapport à un niveau de référence commun.

Profil Énergétique de la Réaction A \(\rightarrow\) B
Coordonnée de réaction Énergie (kJ/mol) A (EA) 15 TS (ETS) 85 B (EB) -10 Ea,dir ΔEréact

Profil énergétique typique d'une réaction unimoléculaire.

Questions à traiter

  1. Calculer l'énergie d'activation de la réaction directe (\(E_{a, \text{directe}}\)), c'est-à-dire de A vers B.
  2. Calculer l'énergie de réaction (\(\Delta E_{\text{réaction}}\)) pour la transformation de A en B.
  3. La réaction A \(\rightarrow\) B est-elle exothermique ou endothermique ? Justifiez votre réponse.
  4. Calculer l'énergie d'activation de la réaction inverse (\(E_{a, \text{inverse}}\)), c'est-à-dire de B vers A.
  5. Quel serait l'effet qualitatif d'un catalyseur sur \(E_{a, \text{directe}}\) et sur \(\Delta E_{\text{réaction}}\) ?

Correction : Analyse du Chemin de Réaction

Question 1 : Énergie d'activation de la réaction directe (\(E_{a, \text{directe}}\))

Principe :

L'énergie d'activation de la réaction directe est la différence d'énergie entre l'état de transition (\(E_{\text{TS}}\)) et l'énergie des réactifs (\(E_A\)).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{a, \text{directe}} = E_{\text{TS}} - E_A \]
Données spécifiques :
  • \(E_{\text{TS}} = 85 \, \text{kJ/mol}\)
  • \(E_A = 15 \, \text{kJ/mol}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{a, \text{directe}} &= 85 \, \text{kJ/mol} - 15 \, \text{kJ/mol} \\ &= 70 \, \text{kJ/mol} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : L'énergie d'activation de la réaction directe est \(E_{a, \text{directe}} = 70 \, \text{kJ/mol}\).

Question 2 : Énergie de réaction (\(\Delta E_{\text{réaction}}\))

Principe :

L'énergie de réaction (ou variation d'enthalpie de réaction si la pression est constante, ce qui est souvent implicite pour les énergies calculées) est la différence d'énergie entre les produits (\(E_B\)) et les réactifs (\(E_A\)).

Formule(s) utilisée(s) :
\[ \Delta E_{\text{réaction}} = E_B - E_A \]
Données spécifiques :
  • \(E_B = -10 \, \text{kJ/mol}\)
  • \(E_A = 15 \, \text{kJ/mol}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \Delta E_{\text{réaction}} &= (-10 \, \text{kJ/mol}) - (15 \, \text{kJ/mol}) \\ &= -10 \, \text{kJ/mol} - 15 \, \text{kJ/mol} \\ &= -25 \, \text{kJ/mol} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : L'énergie de réaction est \(\Delta E_{\text{réaction}} = -25 \, \text{kJ/mol}\).

Question 3 : Nature exothermique ou endothermique

Principe :

Une réaction est exothermique si elle libère de l'énergie (\(\Delta E_{\text{réaction}} < 0\)), et endothermique si elle absorbe de l'énergie (\(\Delta E_{\text{réaction}} > 0\)).

Justification :

Nous avons calculé \(\Delta E_{\text{réaction}} = -25 \, \text{kJ/mol}\).

Puisque \(\Delta E_{\text{réaction}}\) est négative, la réaction A \(\rightarrow\) B est exothermique. Cela signifie que les produits (B) sont plus stables (ont une énergie plus basse) que les réactifs (A), et que de l'énergie est libérée lors de la transformation.

Résultat Question 3 : La réaction est exothermique car \(\Delta E_{\text{réaction}} = -25 \, \text{kJ/mol} < 0\).

Question 4 : Énergie d'activation de la réaction inverse (\(E_{a, \text{inverse}}\))

Principe :

L'énergie d'activation de la réaction inverse (B \(\rightarrow\) A) est la différence d'énergie entre l'état de transition (\(E_{\text{TS}}\)) et l'énergie des produits (\(E_B\)), qui sont les réactifs de la réaction inverse.

Formule(s) utilisée(s) :
\[ E_{a, \text{inverse}} = E_{\text{TS}} - E_B \]

On peut aussi noter que \(E_{a, \text{inverse}} = E_{a, \text{directe}} - \Delta E_{\text{réaction}}\).

Données spécifiques :
  • \(E_{\text{TS}} = 85 \, \text{kJ/mol}\)
  • \(E_B = -10 \, \text{kJ/mol}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} E_{a, \text{inverse}} &= 85 \, \text{kJ/mol} - (-10 \, \text{kJ/mol}) \\ &= 85 \, \text{kJ/mol} + 10 \, \text{kJ/mol} \\ &= 95 \, \text{kJ/mol} \end{aligned} \]

Vérification avec l'autre formule : \(E_{a, \text{inverse}} = 70 \, \text{kJ/mol} - (-25 \, \text{kJ/mol}) = 70 + 25 = 95 \, \text{kJ/mol}\).

Résultat Question 4 : L'énergie d'activation de la réaction inverse est \(E_{a, \text{inverse}} = 95 \, \text{kJ/mol}\).

Question 5 : Effet d'un catalyseur

Principe :

Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans être consommée au cours de la réaction. Il agit en fournissant un nouveau chemin réactionnel avec une énergie d'activation plus faible.

Effet qualitatif :
  • Sur \(E_{a, \text{directe}}\) : Un catalyseur abaisse l'énergie d'activation de la réaction directe. Il stabilise l'état de transition ou propose un état de transition alternatif de plus basse énergie. Par conséquent, \(E_{a, \text{directe (catalysée)}} < E_{a, \text{directe (non catalysée)}}\).
  • Sur \(\Delta E_{\text{réaction}}\) : Un catalyseur n'affecte pas l'énergie des réactifs (\(E_A\)) ni celle des produits (\(E_B\)) à l'équilibre. Par conséquent, l'énergie de réaction (\(\Delta E_{\text{réaction}} = E_B - E_A\)) reste inchangée en présence d'un catalyseur. Le catalyseur modifie la vitesse à laquelle l'équilibre est atteint, mais pas la position de l'équilibre lui-même ni la thermodynamique globale de la réaction.

Note : Un catalyseur abaisse également l'énergie d'activation de la réaction inverse (\(E_{a, \text{inverse}}\)) dans la même proportion, de sorte que la constante d'équilibre (qui dépend de \(\Delta E_{\text{réaction}}\)) n'est pas modifiée.

Résultat Question 5 : Un catalyseur diminue \(E_{a, \text{directe}}\) (et \(E_{a, \text{inverse}}\)) mais ne modifie pas \(\Delta E_{\text{réaction}}\).

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. L'énergie d'activation d'une réaction est :

2. Si \(\Delta E_{\text{réaction}}\) est positive, la réaction est :

3. Un catalyseur augmente la vitesse d'une réaction en :

4. L'état de transition se situe :

Glossaire

Chemin de Réaction
Trajectoire suivie par les atomes et les molécules lors d'une transformation chimique, allant des réactifs aux produits en passant par un ou plusieurs états de transition.
État de Transition (TS)
Configuration atomique spécifique le long du chemin de réaction qui correspond à un maximum d'énergie potentielle. C'est un état instable et de courte durée de vie.
Énergie d'Activation (\(E_a\))
Énergie minimale que les réactifs doivent posséder pour atteindre l'état de transition et initier la réaction chimique.
Énergie de Réaction (\(\Delta E_{\text{réaction}}\))
Différence d'énergie entre les produits et les réactifs d'une réaction chimique. Elle indique si la réaction est exothermique (\(\Delta E < 0\)) ou endothermique (\(\Delta E > 0\)).
Réaction Exothermique
Réaction qui libère de l'énergie sous forme de chaleur (\(\Delta E < 0\)). Les produits ont une énergie plus faible que les réactifs.
Réaction Endothermique
Réaction qui absorbe de l'énergie de son environnement (\(\Delta E > 0\)). Les produits ont une énergie plus élevée que les réactifs.
Coordonnée de Réaction
Paramètre qui représente la progression d'une réaction chimique depuis les réactifs jusqu'aux produits, en passant par l'état de transition.
Catalyseur
Substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans être consommée dans le processus. Il agit généralement en abaissant l'énergie d'activation.
Profil Énergétique
Diagramme qui représente la variation de l'énergie potentielle du système en fonction de la coordonnée de réaction.
Analyse du Chemin de Réaction - Exercice d'Application

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