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La cinétique est la branche de la chimie physique qui étudie la vitesse des réactions chimiques. En revanche, la thermodynamique nous indique quelle direction de réaction est favorisée, sans révéler sa vitesse de réaction. Certaines réactions peuvent être favorisées thermodynamiquement mais cinétiquement défavorables.
Par exemple, lors de la conversion du diamant en graphite, le graphite a une énergie libre inférieure à celle du diamant, la conversion est donc thermodynamiquement favorisée. Cependant, il existe une grande barrière d'activation permettant au diamant de rompre et de reformer toutes les liaisons vers la configuration graphite plus stable, cette réaction est donc cinétiquement défavorable et ne se produira pas réellement.
Le taux de réaction est une mesure de la rapidité avec laquelle les produits se forment et les réactifs sont consommés. Vous pouvez donc la déterminer en mesurant le changement de concentration des produits ou des réactifs sur une période de temps. Prenons une réaction chimique générale :
aA + bB ———————–> cC + dD
La vitesse de réaction peut s'écrire :
Modifié à partir de https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_Physical_and_Theoretical_Chemistry/Kinetics/Reaction_Rates/Experimental_Determination_of_Kinetcs/Measuring_Reaction_Rates
Par exemple, la vitesse de réaction pour :
2 NO(g) + 2 H2 (g) ———————> N2(g) + 2 H2O(g)
est donné par
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Pour déterminer la vitesse de cette réaction par expérience, vous pouvez mesurer la concentration de H2 à différents moments de la réaction et la tracer en fonction du temps comme suit :
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Le taux de réaction moyen est une approximation de la vitesse de réaction dans un intervalle de temps et peut être notée :
Modifié depuis https://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#InitialRate
Le taux de réaction instantané est définie comme la vitesse de réaction à un instant donné. Il s'agit d'un taux différentiel et peut être exprimé par :
Modifié depuis https://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#InitialRate
Où d[H2]/dt est la pente de la courbe de concentration de H2 en fonction du temps au temps t.
Le taux de réaction initial est la vitesse instantanée au début de la réaction, lorsque t =0. Dans ce cas, l'unité pour la vitesse de réaction moyenne, instantanée et initiale est M/s.
Dans la plupart des cas, la vitesse de réaction dépend de la concentration des différents réactifs au temps t. Par exemple, à une concentration plus élevée de tous les réactifs, les réactifs entrent en collision plus fréquemment et entraînent une réaction plus rapide. La relation entre la vitesse de réaction ν(t) et les concentrations est définie comme la loi de la vitesse . Et la loi de vitesse pour la réaction chimique générale aA + bB —————> cC + dD est :
Modifié à partir de https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Ancillary_Materials/Laboratory_Experiments/Wet_Lab_Experiments/General_Chemistry_Labs/Online_Chemistry_Lab_Manual/Chem_12_Experiments/01%3A_Chemical_Kinetics_-_The_Method_of_Initial_Rates_Experiment
Où k est la constante de vitesse et les puissances x et y sont l'ordre de la réaction par rapport aux réactifs A et B. La loi de vitesse doit être déterminée expérimentalement et ne peut pas être déduite de la seule stœchiométrie d'une réaction chimique équilibrée.
La loi des tarifs peut être déterminée par la méthode des tarifs initiaux . Dans cette méthode, l'expérience est réalisée plusieurs fois, en modifiant uniquement la concentration d'un réactif pour chaque analyse tout en gardant les autres variables constantes. La vitesse de la réaction est mesurée pour chaque analyse afin de déterminer l'ordre de chaque réactif dans la loi de vitesse.
Par exemple, considérons les données de taux initial suivantes pour la réaction :
2 NO(g) + 2 H2 (g) ———————> N2(g) + 2 H2O(g)
Adapté de https://www.chemteam.info/Kinetics/WS-Kinetics-method-of-initial-rates.html
Pour les essais 1 et 3, la concentration de NO est maintenue constante tandis que la concentration de H2 est doublée. En conséquence, la vitesse de réaction initiale a également doublé (pensez à 21), vous pouvez donc conclure que y =1. Pour les essais 1 et 2, la concentration de NO est doublée tandis que la concentration de H2 reste constante. Le résultat de ce changement est que le taux initial a quadruplé (considérez-le comme 22). Vous pouvez donc conclure x =2.
La loi de vitesse de cette réaction est donc :
Adapté de https://www.chemteam.info/Kinetics/WS-Kinetics-method-of-initial-rates.html
Et la réaction est de premier ordre en H2 et second ordre en NON.
