CI-CCinétique chimique

Facteurs cinétiques : température, concentration, catalyseur et interprétation microscopique

Idée directrice

La trajectoire est d'analyser l'effet de trois facteurs cinétiques sur la vitesse et le temps de demi-réaction, puis de les expliquer à l'échelle microscopique (théorie des collisions : fréquence et efficacité des chocs). Température : agitation thermique → plus de chocs et plus d'énergie → $v\uparrow$ , $t_{1/2}\downarrow$ . Concentration : plus de molécules par $\text{L}$ → fréquence de chocs $\uparrow$ . Catalyseur : abaisse l'énergie d'activation → fraction de chocs efficaces $\uparrow$ sans modifier $\Delta_r H$ .

Ce qui aide à reconnaître la démarche

« En comparant les expériences 1 et 2, quel facteur cinétique est mis en jeu ? » ; « Interpréter à l'échelle microscopique l'effet de la température sur la vitesse » ; « Définir un catalyseur. Montrer que … joue bien ce rôle » ; « Le catalyseur modifie-t-il la valeur de $x_{\max}$ ? »

Besoin d’un point de départ ? Voir la méthode

Pour identifier le facteur cinétique entre deux expériences, ne faire varier qu'un seul paramètre : comparer expérience par expérience en énumérant ce qui change et ce qui reste constant.
Effet température ↑ : $v\uparrow$ , $t_{1/2}\downarrow$ (plus de chocs + plus efficaces). Effet concentration ↑ : $v\uparrow$ , $t_{1/2}\downarrow$ (plus de chocs). Catalyseur : $v\uparrow$ , $t_{1/2}\downarrow$ , $x_{\max}$ inchangé.
Interprétation microscopique = fréquence de chocs (concentrations, T) + fraction de chocs efficaces (T, énergie d'activation abaissée par catalyseur).
Le catalyseur ne figure pas dans l'équation de bilan : il ne modifie pas $x_{\max}$ , ni $\Delta_r H$ .
Nommer le type de catalyse : homogène si le catalyseur est dans la même phase que les réactifs ( $\mathrm{Fe^{3+}}$ dissous pour $\mathrm{H_2O_2}$ ), hétérogène sinon (platine solide), enzymatique si c'est une enzyme (catalase), spécifique d'une réaction.

Les pièges à vérifier dans ta démarche

Piège fréquent : affirmer que le catalyseur augmente la quantité de produit formé ou modifie $x_{\max}$ . C'est faux : il accélère seulement l'atteinte de l'équilibre (ou la fin de la réaction totale). Autre erreur : confondre fréquence de chocs (facteur concentration/T) et efficacité (facteur T/catalyseur) dans l'interprétation microscopique.

Sujet principal

Exercice — facteurs cinétiques (température, concentration, état de division)

7 questionsFigure fournieCorrigé masqué

On étudie la réaction entre le zinc et une solution d'acide sulfurique :

\text{Zn}_{(s)} + \text{H}_2\text{SO}_{4(aq)} \longrightarrow \text{ZnSO}_{4(aq)} + \text{H}_{2(g)}

Dans toutes les expériences, on fixe $n_0(\text{Zn}) = 0{,}10\text{ mol}$ et $n_0(\text{H}_2\text{SO}_4) = 0{,}05\text{ mol}$ . Lorsque la concentration en acide change, le volume est ajusté pour conserver cette quantité initiale d'acide.

Expérience 1 : $T = 20\,°\text{C}$ , $c = 0{,}25\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$ , volume $V = 200\text{ mL}$ (donc $n_0(\text{H}_2\text{SO}_4)=cV=0{,}05\text{ mol}$ ), zinc en granulés. $t_{1/2} = 120\text{ s}$ .
Expérience 2 : $T = 40\,°\text{C}$ , mêmes concentrations et même volume $V = 200\text{ mL}$ , zinc en granulés. $t_{1/2} = 38\text{ s}$ .
Expérience 3 : $T = 20\,°\text{C}$ , concentration doublée $c = 0{,}50\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$ , volume $V = 100\text{ mL}$ (donc $n_0(\text{H}_2\text{SO}_4)=0{,}05\text{ mol}$ inchangé), zinc en granulés. $t_{1/2} = 65\text{ s}$ .

Identifier le réactif limitant. Calculer $x_{\max}$ à partir des quantités initiales.
Comparer les expériences 1 et 2. Quel facteur cinétique est mis en jeu ? Quelle est son influence sur $v$ et $t_{1/2}$ ? Expliquer à l'échelle microscopique.
1. Nommer le facteur et décrire son effet sur $t_{1/2}$ .
2. Interpréter en termes de chocs entre molécules.
Comparer les expériences 1 et 3. Quel facteur cinétique intervient ? Interpréter (volumes $200\text{ mL}$ et $100\text{ mL}$ pour garder $n_0(\text{H}_2\text{SO}_4)$ fixe).
1. Nommer le facteur et décrire son effet sur $t_{1/2}$ .
2. Interpréter en termes de fréquence de chocs.
On reprend les conditions de l'expérience 1, mais on remplace les granulés de zinc par de la poudre de zinc (mêmes quantités initiales $n_0$ , même $T$ , même $c$ et $V$ ). On mesure $t_{1/2} = 40\text{ s}$ .
1. Quel facteur cinétique est isolé par cette comparaison (poudre vs granulés) ?
2. Expliquer l'accélération observée à l'échelle microscopique (surface de contact).
3. Ce changement d'état de division modifie-t-il $x_{\max}$ ? Justifier à partir des quantités initiales.

Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

1. On compare $n_0/\nu$ pour chaque réactif. $n_0(\text{Zn})/1=0{,}10$ ; $n_0(\text{H}_2\text{SO}_4)/1=0{,}05$ . Le plus petit ratio est $0{,}05$ : le réactif limitant est $\text{H}_2\text{SO}_4$ .

x_{\max}=n_0(\text{H}_2\text{SO}_4)=\boxed{0{,}05\text{ mol}}

Justification : $x_{\max}$ est fixé par les quantités initiales et la stœchiométrie, indépendamment du volume tant que $n_0(\text{H}_2\text{SO}_4)=0{,}05\text{ mol}$ .

2.(a) Seule $T$ varie entre les expériences 1 et 2. Quand $T$ passe de $20\,°\text{C}$ à $40\,°\text{C}$ , le temps de demi-réaction passe de $120\text{ s}$ à $38\text{ s}$ : la vitesse volumique de la réaction augmente.

2.(b) La température est un facteur cinétique : une température plus élevée augmente l'agitation thermique et la fraction de chocs disposant de l'énergie d'activation (facteur de Boltzmann).

3.(a) Seule la concentration varie ( $n_0$ maintenu en passant de $V=200\text{ mL}$ , $c=0{,}25$ à $V=100\text{ mL}$ , $c=0{,}50$ ). En doublant $c$ , $t_{1/2}$ passe de $120\text{ s}$ à $65\text{ s}$ : la vitesse de la réaction augmente. Le facteur cinétique est la concentration.

3.(b) Une concentration plus grande signifie plus de molécules de réactif par unité de volume → fréquence des collisions Zn/H⁺ plus élevée → davantage de chocs efficaces par seconde.

4.(a) L'état de division (surface spécifique) du solide est un facteur cinétique : poudre vs granulés, à $n_0$ , $T$ et $c$ identiques.

4.(b) La poudre offre une surface de contact plus grande avec la solution acide → plus de sites de réaction → $t_{1/2}$ plus court ( $120\text{ s}\to40\text{ s}$ ).

Changer d’énoncé, garder le raisonnement

Choisis un seul transfert après le sujet principal. Qu’est-ce qui change ? Quel résultat ou quelle méthode peux-tu réutiliser ? Les autres exercices restent disponibles pour une prochaine séance.

Variantes rencontrées : Trois courbes superposées (même système, trois $T$ ou trois $c$ ) à analyser graphiquement. Identification d'un catalyseur homogène (même phase) vs hétérogène. Comparaison Zn granulé vs Zn en poudre pour introduire le facteur « état de surface » (surface de contact).

Exercices d'entraînement — une nuance à la fois

1 Drill CI-C.1 — vitesses de disparition/formation

Entraînement 01 / 03

Drill CI-C.1 — vitesses de disparition/formation

1 questionCorrigé masqué

Pour $2\,\text{N}_2\text{O}_5\to4\,\text{NO}_2+\text{O}_2$ , relier la vitesse de formation de $\text{O}_2$ à la vitesse de disparition de $\text{N}_2\text{O}_5$ .

Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

Pour $2\,\text{N}_2\text{O}_5\to4\,\text{NO}_2+\text{O}_2$ , la vitesse volumique de la réaction vérifie $-\dfrac12\dfrac{\mathrm{d}[\text{N}_2\text{O}_5]}{\mathrm{d}t}=\dfrac14\dfrac{\mathrm{d}[\text{NO}_2]}{\mathrm{d}t}=\dfrac{\mathrm{d}[\text{O}_2]}{\mathrm{d}t}$ .

Donc $v_{\mathrm{disp},\text{N}_2\text{O}_5}=2\,v$ et $v_{\mathrm{form},\text{O}_2}=v$ . Le réactif limitant n'est pas précisé ( $x_{\max}$ non demandé). Le temps de demi-réaction et le facteur cinétique ne sont pas en jeu dans cette relation purement stœchiométrique.

2 Drill CI-C.2 — vitesse par la tangente

Entraînement 02 / 03

Drill CI-C.2 — vitesse par la tangente

1 questionCorrigé masqué

Sur une courbe $x(t)$ , comment détermine-t-on graphiquement la vitesse volumique à un instant $t_1$ ? Que devient cette vitesse quand $t\to\infty$ ?

Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

On trace la tangente à la courbe $x(t)$ en $t_1$ ; son coefficient directeur donne $\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}$ , d'où la vitesse volumique $v=\dfrac1V\dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}$ .

Quand $t\to\infty$ , la courbe s'horizontalise : $v\to0$ (réactif limitant consommé, $x\to x_{\max}$ ).

Le temps de demi-réaction se lit à l'abscisse où $x=x_{\max}/2$ . Le facteur cinétique responsable de la baisse de $v$ est la concentration des réactifs.

3 Drill CI-C.3 — catalyse homogène, hétérogène ou enzymatique : ce qui change et ce qui ne change pas

Entraînement 03 / 03

Drill CI-C.3 — catalyse homogène, hétérogène ou enzymatique : ce qui change et ce qui ne change pas

4 questionsCorrigé masqué

On étudie la dismutation de l'eau oxygénée $2\,\mathrm{H_2O_2}\rightarrow 2\,\mathrm{H_2O}+\mathrm{O_2}$ à $20\,^\circ\mathrm{C}$ . Dans quatre béchers identiques, on place $V=50{,}0\ \mathrm{mL}$ d'eau oxygénée à $C_0=0{,}200\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ , puis : (1) rien ; (2) quelques gouttes d'une solution de chlorure de fer (III) ; (3) un fil de platine ; (4) quelques gouttes d'un extrait contenant l'enzyme catalase. On mesure le volume de dioxygène dégagé ( $V_m=24{,}0\ \mathrm{L\,mol^{-1}}$ ). Temps de demi-réaction mesurés : (1) plusieurs jours ; (2) $4{,}0\ \mathrm{min}$ ; (3) $9{,}0\ \mathrm{min}$ ; (4) $0{,}5\ \mathrm{min}$ .

Calculer l'avancement maximal $x_{\max}$ et le volume final de dioxygène attendu dans chaque bécher.
Quel rôle jouent les ions $\mathrm{Fe^{3+}}$ , le platine et la catalase ? Classer chaque catalyse en homogène, hétérogène ou enzymatique.
Classer les expériences par vitesse initiale croissante, en justifiant par $t_{1/2}$ .
On refait l'expérience (2) à $40\,^\circ\mathrm{C}$ . Prévoir l'effet sur $t_{1/2}$ et sur le volume final de dioxygène ; interpréter à l'échelle microscopique.

Voir la correction commentéeAprès avoir posé votre démarche

1. Idée : le catalyseur n'entre pas dans l'équation, le bilan est le même partout. $n_0(\mathrm{H_2O_2})=C_0V=0{,}200\times 50{,}0\times 10^{-3}=1{,}00\times 10^{-2}\ \mathrm{mol}$ ; $\mathrm{H_2O_2}$ est le seul réactif : $x_{\max}=\dfrac{n_0}{2}=5{,}00\times 10^{-3}\ \mathrm{mol}$ . La réaction est totale : $n(\mathrm{O_2})_f=x_{\max}$ , soit $V(\mathrm{O_2})=x_{\max}V_m=\boxed{120\ \mathrm{mL}}$ dans chacun des quatre béchers (au bout d'un temps très long pour le premier).

2. Idée : une espèce qui accélère sans être consommée est un catalyseur ; sa phase décide du type. Les trois espèces augmentent la vitesse sans figurer dans l'équation-bilan et se retrouvent inaltérées. $\mathrm{Fe^{3+}}$ est dissous dans la même phase aqueuse que les réactifs : catalyse homogène. Le platine est un solide dans un liquide : catalyse hétérogène. La catalase est une enzyme, spécifique de cette réaction : catalyse enzymatique.

3. Idée : plus $t_{1/2}$ est court, plus la réaction est rapide. Vitesse croissante : (1) $<$ (3) $<$ (2) $<$ (4). Sans catalyseur la transformation est très lente ; la catalase est de loin le plus efficace des trois catalyseurs.

4. Idée : la température est un facteur cinétique, pas un facteur de bilan. À $40\,^\circ\mathrm{C}$ , l'agitation thermique augmente : les chocs entre entités réactives sont plus fréquents et plus souvent efficaces, la vitesse augmente et $t_{1/2}<4{,}0\ \mathrm{min}$ . Le volume final de dioxygène reste $120\ \mathrm{mL}$ (mesuré dans les mêmes conditions de $V_m$ ) : $x_{\max}$ ne dépend que des quantités initiales.

Relier ce raisonnement au bac

Choisis une filière pour voir les sujets qui étayent ce scénario.

Tu écris. Tu continues.

Où veux-tu aller ?

Facteurs cinétiques : température, concentration, catalyseur et interprétation microscopique

Exercice — facteurs cinétiques (température, concentration, état de division)

Changer d’énoncé, garder le raisonnement

Exercices d'entraînement — une nuance à la fois

Drill CI-C.1 — vitesses de disparition/formation

Drill CI-C.2 — vitesse par la tangente

Drill CI-C.3 — catalyse homogène, hétérogène ou enzymatique : ce qui change et ce qui ne change pas

Relier ce raisonnement au bac