Qu'est-ce que la vitesse d'une réaction chimique, et de quoi dépend-elle ?

Certaines réactions durent un éclair, comme un pétard. D'autres prennent des années, comme la rouille d'une vieille grille. La plupart de celles du labo du collège ou du lycée sont entre les deux. Pour mesurer leur rapidité, on utilise la vitesse de réaction :

vitesse moyenne = quantité de produit formé ÷ durée, ou quantité de réactif consommé ÷ durée

La « quantité » peut être une masse en grammes (g/s), un volume de gaz en mL (mL/s) ou une quantité de matière en moles (mol/s). En solution, on parle de vitesse volumique, en mol·L⁻¹·s⁻¹. Si 60 mL de gaz se forment en 30 secondes, la vitesse moyenne est 60 ÷ 30 = 2 mL/s.

La théorie des collisions explique pourquoi la vitesse change. Les particules ne réagissent que si elles se rencontrent (chocs), et seulement avec une énergie minimale, l'énergie d'activation. La plupart des chocs ne donnent rien. Tout ce qui rend les chocs efficaces plus fréquents accélère la réaction. On appelle ces paramètres les facteurs cinétiques :

1. La température. Les particules chaudes vont plus vite. Elles se rencontrent plus souvent et surtout, une plus grande part des chocs a assez d'énergie. Ordre de grandeur pour beaucoup de réactions : +10 °C double à peu près la vitesse.
2. La concentration des réactifs (ou la pression pour les gaz). Plus de particules dans le même volume, c'est plus de chocs. Doubler la concentration d'une solution double souvent à peu près la vitesse.
3. La surface de contact. Seules les particules à la surface d'un solide peuvent être touchées. Couper un solide en morceaux ou le réduire en poudre expose plus de surface, donc plus de chocs par seconde.
4. Un catalyseur. Un catalyseur offre un autre chemin avec une énergie d'activation plus faible, donc plus de chocs sont efficaces. Il n'est pas consommé. Les enzymes sont les catalyseurs du vivant.

Comment mesurer une vitesse ? On suit une grandeur qui change : le volume de gaz recueilli dans une seringue ou une éprouvette retournée, la masse qui diminue sur une balance quand le gaz s'échappe, ou le temps qu'une solution met à devenir trouble (la célèbre « croix qui disparaît » avec le thiosulfate de sodium et un acide). Si l'on mesure la durée d'un changement fixé, la vitesse est proportionnelle à 1 ÷ durée : plus c'est court, plus c'est rapide.

Les courbes. On trace la quantité de produit en fonction du temps. La courbe est la plus raide au début, quand il y a le plus de réactifs, puis elle s'aplatit, et devient horizontale quand un réactif est épuisé. La pente de la courbe est la vitesse (comme sur un graphique). Une réaction plus rapide donne une courbe plus raide qui s'aplatit plus tôt, mais avec les mêmes quantités de réactifs, elle arrive à la même quantité finale.

Quelle est la formule de la vitesse de réaction ?#

Vitesse moyenne = quantité de réactif consommé ÷ durée, ou quantité de produit formé ÷ durée. En solution, la vitesse volumique s'écrit v = |Δ[ ]| ÷ Δt et s'exprime en mol·L⁻¹·s⁻¹.

Comment calculer la vitesse de réaction sur une courbe ?#

Pour la vitesse moyenne, divise la variation de la grandeur par la durée entre deux points. Pour la vitesse à un instant, trace la tangente à la courbe à cet instant et calcule son coefficient directeur.

Quels sont les facteurs cinétiques ?#

La température, la concentration des réactifs (ou la pression pour les gaz), la surface de contact et la présence d'un catalyseur. La lumière accélère aussi certaines réactions, comme la photosynthèse.

Qu'est-ce qu'une réaction d'ordre 1 ?#

C'est une réaction dont la vitesse est proportionnelle à la concentration d'un réactif : v = k × [A]. Sa concentration diminue alors de façon exponentielle, et le temps de demi-réaction ne dépend pas de la concentration de départ. On l'étudie en terminale.

Comment fonctionne la vitesse d'une réaction enzymatique ?#

Une enzyme est un catalyseur biologique : elle accélère une réaction précise. Sa vitesse augmente avec la température jusqu'à un optimum (vers 37 °C pour beaucoup d'enzymes humaines), puis chute quand l'enzyme est dénaturée.

Est-ce la même chose que la vitesse de réaction en sport ?#

Non. En sport (au football, par exemple), la vitesse de réaction est la rapidité avec laquelle une personne répond à un signal. En chimie, c'est la rapidité avec laquelle des espèces chimiques se transforment en d'autres.