Chimie · 4ème MathThème 1 : Cinétique chimique · Chapitre 1

Avancement d'une réaction chimique

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• définir un système chimique et une transformation chimique ;
• distinguer une transformation rapide d'une transformation lente ;
• définir l'avancement x d'une réaction, l'avancement final et l'avancement maximal ;
• dresser le tableau descriptif d'évolution d'un système et identifier le réactif limitant ;
• citer des méthodes chimiques et physiques de suivi de l'avancement ;
• définir et déterminer le temps de demi-réaction.
Prérequis : quantité de matière, concentration molaire, équation d'une réaction, couples oxydant/réducteur, dosage.

Situation de départ

Un comprimé effervescent disparaît en moins d'une minute dans un verre d'eau ; une lame de fer met des semaines à rouiller ; une pâte à pain lève en une heure environ. Toutes ces transformations chimiques n'ont pas la même durée.
Comment décrire, à chaque instant, l'état d'un système qui se transforme ? Comment mesurer la durée d'une transformation ?

I. Système chimique et avancement

1. Système et transformation chimiques

Un système est une portion de l'Univers séparée du reste, le milieu extérieur, par une frontière réelle ou fictive. Un système chimique est un ensemble d'espèces chimiques (atomes, molécules, ions) susceptibles de réagir entre elles.
Les espèces qui ne participent pas à la transformation sont dites spectatrices.

Phase

Une phase est une partie homogène d'un système : elle a les mêmes propriétés en tous ses points. Par exemple, un morceau de zinc plongé dans de l'acide chlorhydrique forme un système à deux phases : le solide et la solution.

Animation

Une transformation chimique est le passage d'un système d'un état initial à un état final, au cours duquel les quantités de matière de certaines espèces changent : des réactifs disparaissent, des produits apparaissent. On la modélise par une réaction chimique, symbolisée par une équation :

S₂O₈^2- + 2 I^- 2 SO₄^2- + I₂

Transformation physique

Un changement d'état (fusion, vaporisation...) ou une dissolution ne modifie pas la nature des espèces chimiques : ce n'est pas une transformation chimique.

2. L'avancement d'une réaction

Pour une réaction d'équation a A + b B c C + d D, on appelle avancement x la quantité de matière (en mol) qui permet d'exprimer, à chaque instant, les quantités de toutes les espèces :

n(A) = n₀(A) - a.x n(B) = n₀(B) - b.x

n(C) = n₀(C) + c.x n(D) = n₀(D) + d.x

x vaut 0 à l'état initial et croît au cours de la transformation. On dit que l'avancement est le nombre de fois que la réaction a « marché » depuis l'état initial : quand x = 1 mol, a moles de A et b moles de B ont disparu, c moles de C et d moles de D sont apparues. On en tire, à chaque instant :

x = ^{n₀(A) - n(A)}_a = ^n(C)_c

Exemple

Pour la réaction 2 Al + 3 Cu²⁺ 2 Al³⁺ + 3 Cu, partant de 0,30 mol d'aluminium : quand x = 0,05 mol, il reste n(Al) = 0,30 - 2 × 0,05 = 0,20 mol d'aluminium et il s'est formé n(Cu) = 3 × 0,05 = 0,15 mol de cuivre.

Avancement volumique

Si le système forme une seule phase de volume V constant, on utilise l'avancement volumique y = x/V, en mol.L^-1. Le tableau descriptif peut alors s'écrire directement avec les concentrations.

3. Avancement final, avancement maximal

l'avancement final x_f est la valeur de x quand le système n'évolue plus ; il se détermine expérimentalement ;
l'avancement maximal x_max est la valeur de x calculée en supposant la réaction totale : elle annule la quantité d'au moins un réactif, le réactif limitant ; x_max se calcule ;
si x_f = x_max, la réaction est dite totale ; si x_f < x_max, elle est limitée : aucun réactif ne disparaît complètement.

4. Le tableau descriptif d'évolution

Le tableau descriptif rassemble, pour l'état initial, un état intermédiaire et l'état final, les quantités de matière exprimées en fonction de x.

Réaction : S₂O₈^2- + 2 I^- donne 2 SO₄^2- + I₂ (quantités en mmol)

État	Avancement	S₂O₈^2-	I^-	SO₄^2-	I₂
initial	0	2,0	5,0	0	0
en cours	x	2,0 - x	5,0 - 2x	2x	x
final	x_f	2,0 - x_f	5,0 - 2x_f	2x_f	x_f

Animation

Recherche du réactif limitant

On cherche la plus petite valeur de x qui annule une quantité de réactif : 2,0 - x = 0 donne x = 2,0 mmol ; 5,0 - 2x = 0 donne x = 2,5 mmol. La plus petite valeur est x_max = 2,0 mmol : le réactif limitant est S₂O₈^2-.
Si les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques (ici 4,0 mmol de I^-), ils disparaissent en même temps.

Fig. 1 — Quantités de matière en fonction de l'avancement : la droite de S₂O₈^2- atteint zéro la première, pour x_max = 2,0 mmol

II. Transformations rapides et transformations lentes

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