Cinétique chimique

Objectif d'apprentissage 5.1.A : Expliquer la relation entre la vitesse d'une réaction chimique et les paramètres expérimentaux.

• 5.1.A.1 La cinétique d'une réaction chimique est définie comme le taux auquel une quantité de réactifs est convertie en produits par unité de temps.
• 5.1.A.2 Les vitesses de variation des concentrations de réactifs et de produits sont déterminées par la stœchiométrie de l'équation chimique équilibrée.
• 5.1.A.3 La vitesse d'une réaction est influencée par les concentrations de réactifs, la température, la surface, les catalyseurs et d'autres facteurs environnementaux.

Objectif d'apprentissage 5.2.A : Représenter des données expérimentales par une expression de loi de vitesse cohérente.

• 5.2.A.1 Des méthodes expérimentales peuvent être utilisées pour surveiller les quantités de réactifs et/ou de produits d'une réaction au fil du temps et pour déterminer la vitesse de la réaction.
• 5.2.A.2 La loi de vitesse exprime la vitesse d'une réaction comme étant proportionnelle à la concentration de chaque réactif élevé à une puissance.
• 5.2.A.3 La puissance de chaque réactif dans la loi de vitesse correspond à l'ordre de la réaction par rapport à ce réactif. La somme des puissances des concentrations des réactifs dans la loi de vitesse correspond à l'ordre global de la réaction.
• 5.2.A.4 La constante de proportionnalité dans la loi de vitesse est appelée constante de vitesse. La valeur de cette constante dépend de la température et les unités reflètent l'ordre global de la réaction.
• 5.2.A.5 La comparaison des vitesses initiales d'une réaction est une méthode pour déterminer l'ordre par rapport à chaque réactif.

Objectif d'apprentissage 5.3.A : Identifier l'expression de la loi de vitesse d'une réaction chimique en utilisant des données montrant comment les concentrations des espèces réactionnelles changent au fil du temps.

• 5.3.A.1 L'ordre d'une réaction peut être déduit d'un graphique de concentration de réactif en fonction du temps.
• 5.3.A.2 Si une réaction est d'ordre un par rapport à un réactif suivi, un tracé du logarithme naturel (ln) de la concentration du réactif en fonction du temps sera linéaire.
• 5.3.A.3 Si une réaction est d'ordre deux par rapport à un réactif suivi, un tracé de l'inverse de la concentration de ce réactif en fonction du temps sera linéaire.
• 5.3.A.4 Les pentes des données de concentration en fonction du temps pour les réactions d'ordre zéro, premier et second peuvent être utilisées pour déterminer la constante de vitesse de la réaction.
  • Ordre zéro :
  • Équation : $[\mathrm{A}]_t - [\mathrm{A}]_0 = -kt$
  • Premier ordre :
  • Équation : $\ln[\mathrm{A}]_t - \ln[\mathrm{A}]_0 = -kt$
  • Second ordre :
  • Équation : $1/[\mathrm{A}]_t - 1/[\mathrm{A}]_0 = kt$
• 5.3.A.5 La demi-vie est un paramètre critique pour les réactions d'ordre un car la demi-vie est constante et liée à la constante de vitesse de la réaction par l'équation :
  • Équation : $t_{1/2} = 0.693/k.$
• 5.3.A.6 Les processus de désintégration radioactive fournissent une illustration importante de la cinétique d'ordre un.

Objectif d'apprentissage 5.4.A : Représenter une réaction élémentaire sous forme d'expression de loi de vitesse en utilisant la stœchiométrie.

• 5.4.A.1 La loi de vitesse d'une réaction élémentaire peut être déduite de la stœchiométrie des particules participant à une collision.
• 5.4.A.2 Les réactions élémentaires impliquant la collision simultanée de trois particules ou plus sont rares.

Objectif d'apprentissage 5.5.A : Expliquer la relation entre la vitesse d'une réaction élémentaire et la fréquence, l'énergie et l'orientation des collisions des particules.

• 5.5.A.1 Pour qu'une réaction élémentaire produise avec succès des produits, les réactifs doivent entrer en collision efficace afin d'initier des événements de rupture et de formation de liaisons.
• 5.5.A.2 Dans la plupart des réactions, seule une faible fraction des collisions conduit à une réaction. Les collisions efficaces possèdent à la fois une énergie suffisante pour surmonter les exigences d'énergie d'activation et une orientation permettant le réarrangement des liaisons de la manière requise.
• 5.5.A.3 La courbe de distribution de Maxwell-Boltzmann décrit la distribution des énergies des particules ; cette distribution peut être utilisée pour obtenir une estimation qualitative de la fraction de collisions ayant suffisamment d'énergie pour mener à une réaction, ainsi que de la dépendance de cette fraction vis-à-vis de la température.

Objectif d'apprentissage 5.6.A : Représenter l'énergie d'activation et le changement d'énergie global dans une réaction élémentaire à l'aide d'un profil énergétique de réaction.

• 5.6.A.1 Les réactions élémentaires impliquent généralement la rupture de certaines liaisons et la formation de nouvelles.
• 5.6.A.2 Le coordonnée de réaction est l'axe le long duquel le complexe ensemble de mouvements impliqués dans le réarrangement des réactifs pour former des produits peut être tracé.
• 5.6.A.3 Le profil énergétique donne l'énergie le long de la coordonnée de réaction, qui progresse typiquement des réactifs, par un état de transition, vers les produits. La différence d'énergie entre les réactifs et l'état de transition est l'énergie d'activation pour la réaction directe.
• 5.6.A.4 La vitesse d'une réaction élémentaire dépend de la température car la proportion de collisions de particules assez énergétiques pour atteindre l'état de transition varie avec la température. L'équation d'Arrhenius relie la dépendance de la vitesse d'une réaction élémentaire à l'égard de la température à l'énergie d'activation nécessaire aux collisions moléculaires pour atteindre l'état de transition.
  • Énoncé d'exclusion : Les calculs impliquant l'équation d'Arrhenius ne seront pas évalués à l'examen AP.

Objectif d'apprentissage 5.7.A : Identifier les composants d'un mécanisme réactionnel.

• 5.7.A.1 Un mécanisme réactionnel consiste en une série de réactions élémentaires, ou étapes, qui se déroulent séquentiellement. Les composants peuvent inclure des réactifs, des intermédiaires, des produits et des catalyseurs.
• 5.7.A.2 Les étapes élémentaires combinées doivent correspondre à l'équation bilan chimique globale.
• 5.7.A.3 Un intermédiaire réactionnel est produit par certaines étapes élémentaires et consommé par d'autres, de sorte qu'il n'est présent que pendant que la réaction a lieu.
• 5.7.A.4 La détection expérimentale d'un intermédiaire réactionnel est un moyen courant de constituer des preuves en faveur d'un mécanisme réactionnel plutôt qu'un mécanisme alternatif.
  • Énoncé d'exclusion : La collecte de données relatives à la détection d'un intermédiaire réactionnel ne sera pas évaluée à l'examen AP.

Objectif d'apprentissage 5.8.A : Identifier la loi de vitesse d'une réaction à partir d'un mécanisme dont la première étape est limitante.

• 5.8.A.1 Pour les mécanismes réactionnels où chaque étape élémentaire est irréversible, ou où la première étape est limitante, la loi de vitesse de la réaction est déterminée par la molecularité de l'étape élémentaire la plus lente (c.-à-d., l'étape limitante).
  • Énoncé d'exclusion : La collecte de données relatives à la détection d'un intermédiaire réactionnel ne sera pas évaluée à l'examen AP.

Objectif d'apprentissage 5.9.A : Identifier la loi de vitesse d'une réaction à partir d'un mécanisme dont la première étape n'est pas limitante.

• 5.9.A.1 Si la première réaction élémentaire n'est pas limitante, des approximations (telles que le pré-équilibre) doivent être faites pour déterminer une expression de loi de vitesse.

Objectif d'apprentissage 5.10.A : Représenter l'énergie d'activation et le changement d'énergie global dans une réaction à plusieurs étapes à l'aide d'un profil énergétique de réaction.

• 5.10.A.1 La connaissance de l'énergétique de chaque réaction élémentaire dans un mécanisme permet de construire un profil énergétique pour une réaction à plusieurs étapes.

Objectif d'apprentissage 5.11.A : Expliquer la relation entre l'effet d'un catalyseur sur une réaction et les changements dans le mécanisme de réaction.

• 5.11.A.1 Afin qu'un catalyseur augmente la vitesse d'une réaction, l'ajout du catalyseur doit augmenter le nombre de collisions efficaces et/ou fournir un chemin de réaction avec une énergie d'activation inférieure par rapport à la coordonnée de réaction originale.
• 5.11.A.2 Dans un mécanisme de réaction contenant un catalyseur, la concentration nette du catalyseur est constante. Cependant, le catalyseur sera fréquemment consommé dans l'étape limitante de la réaction, pour être régénéré dans une étape ultérieure du mécanisme.
• 5.11.A.3 Certains catalyseurs accélèrent une réaction en se liant au(x) réactif(s). Les réactifs sont soit orientés plus favorablement, soit réagissent avec une énergie d'activation plus faible. Il y a souvent un nouveau complexe réactionnel intermédiaire dans lequel le catalyseur est lié au(x) réactif(s). De nombreuses enzymes fonctionnent de cette manière.
• 5.11.A.4 Certains catalyseurs impliquent une liaison covalente entre le catalyseur et le(x) réactif(s). Un exemple est la catalyse acido-basique, au cours de laquelle un réactif ou un intermédiaire gagne ou perd un proton. Cela introduit un nouveau complexe réactionnel intermédiaire et de nouvelles réactions élémentaires impliquant cet intermédiaire.
• 5.11.A.5 Dans la catalyse de surface, un réactif ou un intermédiaire se lie à, ou forme une liaison covalente avec, la surface. Cela introduit des réactions élémentaires impliquant ces nouveaux complexes réactionnels intermédiaires liés.