Dépendance à la concentration

La mesure de la vitesse à laquelle une réaction se déroule s’appelle la vitesse de réaction. Pour une réaction en une seule étape, la vitesse est égale à la variation de la concentration de chaque réactif ou produit au fil du temps multipliée par l’inverse du coefficient stœchiométrique correspondant. Vous pouvez considérer la variation de la concentration au fil du temps comme la concentration à l’instant t moins la concentration de départ divisée par t. Les vitesses de réaction sont toujours positives, de sorte que les expressions des réactifs ont des signes négatifs. Ces taux peuvent ne pas être égaux dans les réactions en plusieurs étapes, mais nous pouvons toujours utiliser cette relation comme estimation de la réaction globale.

La loi de vitesse, ou équation de vitesse, décrit la relation entre la vitesse de la réaction et les concentrations de réactifs. Dans cette équation, k est la constante de vitesse, A et B sont les deux réactifs, et m et n sont leurs ordres de réaction respectifs. L’ordre de réaction décrit la relation entre la concentration d’un réactif et la vitesse et n’est pas lié à la stœchiométrie. Il est essentiel de se rappeler que l’ordre de réaction n’est pas le même que le coefficient du réactif dans l’équation équilibrée.

Lorsqu’une réaction implique deux réactifs ou plus, nous devons considérer l’ordre de réaction de chaque réactif. L'ordre de réaction global est égal à la somme des ordres de réaction des réactifs. Par exemple, si le réactif A est de premier ordre et le réactif B est d’ordre zéro, l’ordre global de la réaction est un. Les ordres de réaction les plus courants dans les réactions simples sont l’ordre zéro, le premier ordre et le second ordre. Parcourons-les en utilisant une réaction unimoléculaire comme exemple.

Si la réaction est d’ordre zéro, la concentration du réactif n’a aucun effet sur la vitesse de réaction. Ainsi, la vitesse de réaction est égale à k, la constante de vitesse. Un graphique de la vitesse de réaction par rapport à la concentration est une ligne horizontale.

Dans les relations de premier ordre, la concentration du réactif est linéairement liée à la vitesse de réaction. Ainsi, le taux est égal à la constante de vitesse multipliée par la concentration du réactif. Un graphique de la vitesse de réaction par rapport à la concentration sera linéaire, avec k comme pente.

Si la réaction est de second ordre, il existe une relation quadratique entre la concentration et la vitesse. Ainsi, le taux est égal à la constante de vitesse multipliée par la concentration au carré. Un graphique du taux par rapport à la concentration sera parabolique, avec k comme pente.

La constante de vitesse, k, est une valeur dépendante de la température qui relie l’énergie d’activation de la réaction à la vitesse de réaction. Vous explorerez cela dans la prochaine expérience de laboratoire.

Les vitesses de réaction sont généralement indiquées en moles par litre par seconde. La vitesse a les mêmes unités, quel que soit l’ordre de réaction. Ainsi, la constante de vitesse a des unités différentes, en fonction de l’ordre de réaction. Par exemple, si A est de premier ordre et B est d’ordre zéro, alors nous avons une instance de moles par litre dans l’équation du taux. Par conséquent, la constante de vitesse doit être exprimée en secondes inverses.

Alors, comment détermine-t-on l’ordre de réaction ? L’ordre de réaction doit être déterminé expérimentalement à l’aide d’une série de tests. Si vous avez deux réactifs, une méthode consiste à maintenir la concentration d’un réactif constante, à faire varier l’autre et à chronométrer le temps nécessaire pour fabriquer une certaine quantité de produit. Le même processus est répété pour le deuxième réactif. Vous pouvez ensuite estimer l'ordre de chaque réactif en traçant la vitesse en fonction de la concentration variable des réactifs et en voyant s'il ressemble à un graphique de zéro, de premier ou de second ordre. La correspondance de vos données avec l’équation de taux correspondante vous permettra également de calculer k.

Dans cet atelier, vous allez déterminer l’ordre de réaction de deux réactifs en faisant varier leurs concentrations et en chronométrant le temps nécessaire à la réaction pour rendre la solution opaque.