Vitesse d'une réaction chimique
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• calculer la vitesse moyenne d'une réaction entre deux instants ;
• définir et déterminer graphiquement la vitesse instantanée ;
• définir la vitesse volumique et la relier à la concentration d'un réactif ou d'un produit ;
• expliquer pourquoi la vitesse d'une réaction diminue au cours du temps.
Prérequis : avancement d'une réaction, tableau descriptif, coefficient directeur d'une droite, tangente à une courbe.
Situation de départ
Dans un airbag, la réaction qui produit le gaz se fait en quelques millisecondes ; la fermentation du jus de raisin en vin dure plusieurs jours. Pour comparer ces transformations, il faut une grandeur qui mesure leur rapidité.
Comment définir et mesurer la vitesse d'une réaction chimique ?
I. Notion de vitesse d'une réaction
Deux systèmes contenant les mêmes réactifs, à des concentrations différentes, n'évoluent pas aussi vite : au même instant, l'avancement n'a pas la même valeur. Pour comparer quantitativement la rapidité de deux transformations, on définit la vitesse de la réaction à partir de la variation de l'avancement x au cours du temps.
Pour savoir laquelle de deux transformations est la plus rapide, on peut comparer :
• la variation Δx de l'avancement pendant une même durée Δt ;
• ou la durée Δt nécessaire pour une même variation Δx de l'avancement (par exemple, la durée d'apparition de la teinte bleu noir de l'horloge à iode).
II. Vitesse moyenne
La vitesse moyenne d'une réaction entre les instants t1 et t2 est :
vmoy entre t1 et t2 est le coefficient directeur de la corde qui joint les points de la courbe x = f(t) d'abscisses t1 et t2. C'est une grandeur positive.
Si le système forme une seule phase de volume V constant, on définit aussi la vitesse volumique moyenne : vmoy/V, en mol.L-1.s-1.
Dans la décomposition de l'eau oxygénée, l'avancement passe de 1,2 mmol à t1 = 2 min à 2,0 mmol à t2 = 6 min : vmoy = (2,0 - 1,2)/(6 - 2) = 0,20 mmol.min-1.
III. Vitesse instantanée
Quand t2 tend vers t1, la corde tend vers la tangente à la courbe et la vitesse moyenne tend vers une limite : la vitesse instantanée à l'instant t1, dérivée de x par rapport au temps :
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