13.2: Mesure des vitesses de réaction

La polarimétrie trouve une application en cinétique chimique pour mesurer la concentration et la cinétique de réaction des substances optiquement actives au cours d'une réaction chimique. Les substances optiquement actives ont la capacité de faire pivoter le plan de polarisation de la lumière polarisée rectilignement qui les traverse, une caractéristique appelée pouvoir rotatoire. L'activité optique est attribuée à la structure moléculaire des substances. La lumière monochromatique normale n'est pas polarisée et possède des oscillations du champ électrique dans tous les plans possibles perpendiculaires à la direction de sa propagation. Lorsqu'une lumière non polarisée traverse un polariseur, une lumière polarisée rectilignement qui maintient les oscillations dans un plan émerge.

Un instrument polarimétrique détermine la direction de polarisation de la lumière ou la rotation produite par une substance optiquement active. Dans un polarimètre, la lumière plane polarisée est introduite dans un tube contenant la solution réagissant, et la réaction peut être suivie sans perturber le système. Si l'échantillon contient des substances optiquement inactives, il n'y aura pas de changement dans l'orientation du plan de la lumière polarisée. La lumière est visible à la même intensité sur l'écran de l'analyseur et l'angle de rotation (ɑ) indique zéro degré.

Cependant, la présence de composés optiquement actifs dans l'échantillon qui réagit provoque la rotation du plan de la lumière polarisée passant à travers. La lumière émergeant sera moins lumineuse. L'axe de l'analyseur doit être tourné dans le sens des aiguilles d'une montre (dextrogyre) ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (lévogyre) pour observer la luminosité maximale. Le sens de rotation de l'analyseur dépend de la nature du composé présent. Le pouvoir rotatoire optique mesuré est proportionnel à la concentration des substances optiquement actives présentes dans l'échantillon. En analysant les mesures de l'angle de rotation à différents points dans le temps, les concentrations des composés optiquement actifs peuvent être déterminées en fonction du temps.

Spectrométrie

Des techniques expérimentales d'optique comme la spectrométrie sont également fréquemment utilisées pour surveiller les réactions chimiques et obtenir des informations quantitatives sur la cinétique de la réaction. La spectrométrie permet de faire passer la lumière d'une longueur d'onde précise à travers un échantillon qui réagit. Les molécules ou composés (un réactif ou un produit) présents dans l'échantillon peuvent absorber de la lumière tout en transmettant la quantité restante, mesurée par un détecteur. La quantité de lumière absorbée dépend de la concentration du composé ou de la molécule d'intérêt. Par exemple, plus la concentration d'un composé est élevée, plus son absorbance est grande. A partir de l'absorbance, l'instrument peut déterminer la concentration du composé d'intérêt. Dans un échantillon qui réagit, l'absorbance mesurée à intervalles réguliers permet de calculer les concentrations du réactif ou du produit en fonction du temps.

Mesures de la pression

Pour les réactions impliquant des substances en phase gazeuse, la cinétique de la réaction est suivie en quantifiant les variations du nombre de moles des gaz en fonction des variations de pression. Les réglages expérimentaux d'une réaction en phase gazeuse peuvent être connectés à un manomètre qui pourrait mesurer la pression d'un réactif ou d'un produit gazeux. Au fur et à mesure que la réaction progresse, la pression des réactifs diminue et (ou) la pression des produits augmente. Ceci peut être mesuré grâce au manomètre en fonction du temps. En appliquant la loi du gaz parfait #8212; la concentration d'un gaz est proportionnelle à sa pression partielle #8212; la vitesse d'une réaction chimique peut être calculée.

Les vitesses de réaction peuvent être étudiés en déterminant le changement de concentrations des réactifs ou des produits en fonction du temps. Les changements de concentration peuvent être mesurés par des techniques expérimentales comme la polarimétrie, la spectroscopie, ou mesures de pression. La polarimétrie utilise une lumière polarisée dans un plan avec un champ électrique orienté dans un seul plan.

Il mesure la capacité des composés pour faire pivoter la lumière polarisée, qui dépend sur la structure moléculaire du composé présent. Considérez l'hydrolyse du saccharose, qui donne du glucose et du fructose. Un polarimètre est utilisé pour mesurer le degré de rotation de lumière polarisée dans le plan passant par la solution de saccharose en réaction.

Le saccharose provoque une rotation dans le sens horaire, alors que le glucose et le fructose provoquent une rotation antihoraire. En mesurant le degré de rotation de la lumière à intervalles de temps définis, les concentrations relatives de saccharose, glucose ou fructose peuvent être calculés et la vitesse de réaction déterminée. Les vitesses de réaction peuvent également être mesurés en utilisant des méthodes spectrophotométriques, en utilisant la capacité des réactifs ou des produits pour absorber la lumière de longueurs d'onde spécifiques.

Plus la concentration de la substance d'intérêt est élevée, plus son absorbance de lumière sera intense. Par exemple, l'hydrogène gazeux incolore réagit avec la vapeur d'iode violette pour former de l'iodire d'hydrogène incolore. La vapeur d'iode absorbe la lumière dans la région jaune-vert et réfléchit la lumière violette.

Pendant la réaction, un spectrophotomètre mesure la quantité de lumière absorbée par l'échantillon et analyse la lumière transmise. Ainsi, à mesure que la réaction progresse, la diminution de la concentration de vapeur d'iode s'observe par la réduction de l'absorbance de la lumière jaune-verte. En utilisant la loi de Beer-Lambert, l'intensité de la lumière absorbée à différents moments peuvent être calculés et liés aux changements de concentration.

Alternativement, si l'un des réactifs ou produits est un gaz, les mesures de pression sont utilisées pour déterminer les vitesses de réaction en surveillant les changements de pression. Par exemple, lors de la décomposition du peroxyde d'hydrogène, la vitesse de réaction est étudiée à l'aide d'un manomètre pour surveiller la pression de l'oxygène gazeux libéré. Au fur et à mesure que la réaction progresse et que plus d'oxygène gazeux se dégage, la pression augmente.

Utilisation de l'équation des gaz parfaits, valeurs de pression enregistrées à différents moments sont converties en concentrations. L'évolution de la concentration en fonction du temps est utilisé pour déterminer la vitesse de réaction. Pour des réactions prolongées, des échantillons ou des aliquotes, peuvent être prélevés dans le mélange réactionnel à intervalles de temps réguliers.

Les concentrations relatives sont alors mesurés à l'aide de techniques instrumentales comme la chromatographie en phase gazeuse, la spectrométrie de masse ou le titrage, pour calculer les vitesses de réaction.