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Chimie · Classes prépa (CPGE) — 1ère année — TSI

Cinétique chimique : Mécanismes réactionnels

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

1. Actes élémentaires et molécularité

Un acte élémentaire est une étape de réaction qui se produit à l'échelle moléculaire en une seule étape, sans intermédiaire.

  • Molécularité : Nombre d'entités (atomes, molécules, ions) participant à un acte élémentaire (généralement 1 ou 2, rarement 3).
  • Loi de Van't Hoff : Pour un acte élémentaire, l'ordre partiel de chaque réactif est égal à son coefficient stœchiométrique.

2. Intermédiaires réactionnels (IR) et Catalyseurs

  • IR : Espèce formée dans une étape et consommée dans une étape ultérieure. Elle n'apparaît pas dans l'équation bilan.
  • Catalyseur : Espèce qui accélère la réaction, consommée puis régénérée. Elle n'apparaît pas dans l'équation bilan.

3. Approximation de l'État Quasi-Stationnaire (AEQS)

Pour un intermédiaire réactionnel $I$ très réactif (durée de vie très courte), on suppose que sa vitesse de formation globale est nulle : $$\frac{d[I]}{dt} \approx 0$$ Cela permet d'exprimer la concentration de $I$ en fonction des réactifs stables.

4. Étape limitante

Si une étape du mécanisme est beaucoup plus lente que les autres, la vitesse globale de la réaction est égale à la vitesse de cette étape : $v \approx v_{limitante}$.

5. Réactions en chaîne

Elles comprennent trois phases :

  1. Initiation : Création de centres actifs (radicaux).
  2. Propagation : Consommation d'un centre actif et formation d'un nouveau (cycle).
  3. Rupture (Terminaison) : Disparition des centres actifs.

Méthodes à maîtriser

  • Établir une loi de vitesse : Utiliser l'AEQS sur tous les intermédiaires réactionnels pour éliminer leurs concentrations dans l'expression de la vitesse globale.
  • Vérifier un mécanisme : Un mécanisme est plausible s'il redonne l'équation bilan par somme des étapes et si la loi de vitesse théorique concorde avec l'expérience.
  • Distinguer IR et Catalyseur : L'IR est produit puis consommé ; le catalyseur est consommé puis produit.

Exemples corrigés

Exemple : Soit le mécanisme : (1) $A + A \xrightarrow{k_1} A_2$ (lent) (2) $A_2 + B \xrightarrow{k_2} C + A$ (rapide) L'étape (1) est limitante, donc $v = v_1 = k_1 [A]^2$. La réaction globale est $A + B \rightarrow C$.

Erreurs fréquentes

  • Appliquer la loi de Van't Hoff à une réaction globale (elle ne s'applique qu'aux actes élémentaires).
  • Confondre l'AEQS avec l'équilibre chimique (l'AEQS ne signifie pas que $v_{directe} = v_{inverse}$).
  • Oublier de vérifier que les intermédiaires disparaissent de l'expression finale de la vitesse.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Cinétique chimique : Mécanismes réactionnels

1/4

Quelle est la molécularité de l'acte élémentaire $2 NO + O_2 \rightarrow 2 NO_2$ ?

❓ Questions fréquentes

Chno l'farq bin "ordre de réaction" o "molécularité" ?
  1. L'ordre est une grandeur expérimentale liée à la réaction globale. Il peut être entier, fractionnaire ou nul.
  2. La molécularité est une grandeur théorique liée uniquement à un acte élémentaire. Elle correspond au nombre de molécules qui s'entrechoquent (souvent 1 ou 2).
  3. Pour une réaction globale, l'ordre n'est pas forcément égal aux coefficients stœchiométriques, sauf si la réaction est élémentaire (Loi de Van't Hoff).

💡 À retenir : L'ordre se mesure au labo, la molécularité se lit sur le mécanisme.

Kifach n'عرف l'étape limitante f chi exercice ?
  1. Soit l'énoncé le dit explicitement ("étape lente").
  2. Soit on donne les constantes de vitesse : l'étape avec la plus petite constante $k$ est généralement la plus lente.
  3. Une fois identifiée, on écrit $v = v_{limitante}$ en utilisant la loi de Van't Hoff pour cette étape précise.

💡 À retenir : La vitesse globale d'un convoi est celle du camion le plus lent.

Wach dima l'AEQS (Bodenstein) khdam f ga3 les mécanismes ?

L'AEQS est une approximation valable uniquement si :

  1. L'intermédiaire réactionnel (IR) est très instable et réactif.
  2. Sa concentration reste très faible devant celle des réactifs.
  3. On est en dehors des phases d'initiation ou de fin de réaction (régime stationnaire).

💡 À retenir : L'AEQS simplifie les calculs en posant $\frac{d[IR]}{dt} = 0$.

Quelle est la différence entre un intermédiaire réactionnel et un état de transition ?
  1. Un intermédiaire réactionnel est une espèce chimique réelle avec une durée de vie finie, correspondant à un minimum local d'énergie.
  2. Un état de transition (complexe activé) est une configuration instable au sommet d'une barrière énergétique (maximum d'énergie), il ne peut pas être isolé.

💡 À retenir : L'IR se trouve dans un "creux" d'énergie, l'état de transition sur une "bosse".

Comment reconnaître un catalyseur dans un mécanisme ?
  1. Il apparaît dans les réactifs d'une étape initiale.
  2. Il est régénéré (apparaît dans les produits) dans une étape ultérieure.
  3. Il n'apparaît pas dans l'équation bilan finale de la réaction.

💡 À retenir : Un catalyseur est un "outil" emprunté puis rendu.

Qu'est-ce qu'une réaction en chaîne ?

C'est un mécanisme où un intermédiaire réactif (souvent un radical) est régénéré de façon cyclique, permettant de transformer un grand nombre de réactifs par une seule étape d'initiation. Elle comporte : initiation, propagation (le cycle) et rupture.

💡 À retenir : Une seule étincelle (initiation) peut causer une grande explosion (propagation).

Est-ce qu'un mécanisme peut avoir plusieurs étapes limitantes ?

En général, on considère qu'une seule étape domine la lenteur du processus. Si deux étapes ont des vitesses comparables, l'approximation de l'étape limitante ne peut pas être utilisée simplement, et il faut appliquer l'AEQS sur les intermédiaires.

💡 À retenir : L'étape limitante est un cas particulier simplifié de l'AEQS.

Pourquoi la vitesse de formation d'un IR est nulle selon l'AEQS ?

Elle n'est pas strictement nulle, mais sa variation est négligeable par rapport aux variations des réactifs et produits. Comme l'IR est consommé presque aussi vite qu'il est produit, sa concentration reste quasi constante et très faible.

💡 À retenir : $\frac{d[IR]}{dt} \approx 0$ est une simplification mathématique puissante.

Chno hiya l'étape de rupture f les réactions en chaîne ?

C'est l'étape où deux centres actifs (radicaux) se rencontrent pour former une molécule stable. Cela "tue" la chaîne car il n'y a plus de radical pour continuer la propagation.

💡 À retenir : Rupture = Fin de la réaction en chaîne.

Comment l'approximation du pré-équilibre diffère-t-elle de l'AEQS ?
  1. Le pré-équilibre suppose qu'une étape rapide et réversible atteint un équilibre thermodynamique avant l'étape lente.
  2. L'AEQS suppose que la concentration de l'IR est constante sans forcément être à l'équilibre.

💡 À retenir : Pré-équilibre $\implies K = \frac{k_{direct}}{k_{inverse}}$.

Peut-on déterminer un mécanisme uniquement par le calcul ?

Non, un mécanisme est une hypothèse. On propose un mécanisme, on calcule la loi de vitesse théorique, et on la compare aux résultats expérimentaux. Si ça colle, le mécanisme est "plausible".

💡 À retenir : L'expérience a toujours le dernier mot en cinétique.

L'ordre global peut-il être égal à zéro ?

Oui, c'est fréquent en catalyse hétérogène (surface saturée) ou enzymatique. Cela signifie que la vitesse est indépendante de la concentration du réactif.

💡 À retenir : Ordre 0 $\implies v = k$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Énoncé : Étude de la décomposition du pentaoxyde de diazote La réaction de décomposition de $N_2O_5$ en phase gazeuse a pour équation bilan : $$2 N_2O_5(g) \rightarrow 4 NO_2(g) + O_2(g)$$ L'expérience montre que la loi de vitesse est d'ordre 1 par rapport à $N_2O_5$ : $v = k_{exp} [N_2O_5]$. On propose le mécanisme suivant : (1) $N_2O_5 \xrightleftharpoons[k_{-1}]{k_1} NO_2 + NO_3$ (rapide, équilibre) (2) $NO_2 + NO_3 \xrightarrow{k_2} NO_2 + O_2 + NO$ (lente) (3) $NO + NO_3 \xrightarrow{k_3} 2 NO_2$ (rapide)

  1. Identifier les intermédiaires réactionnels.
  2. En utilisant l'approximation de l'étape limitante, exprimer la vitesse globale $v$ en fonction des constantes de vitesse et des concentrations des réactifs.
  3. Montrer que ce mécanisme est compatible avec la loi de vitesse expérimentale et exprimer $k_{exp}$ en fonction des constantes $k_i$.
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Exercice 2

Énoncé : Synthèse du bromure d'hydrogène La réaction $H_2 + Br_2 \rightarrow 2 HBr$ suit un mécanisme en chaîne : (1) $Br_2 + M \xrightarrow{k_1} 2 Br^\bullet + M$ (Initiation) (2) $Br^\bullet + H_2 \xrightarrow{k_2} HBr + H^\bullet$ (Propagation 1) (3) $H^\bullet + Br_2 \xrightarrow{k_3} HBr + Br^\bullet$ (Propagation 2) (4) $2 Br^\bullet + M \xrightarrow{k_4} Br_2 + M$ (Rupture)

  1. Établir l'expression de la vitesse de formation de $HBr$ en appliquant l'AEQS aux radicaux $H^\bullet$ et $Br^\bullet$.
  2. En déduire l'ordre de la réaction par rapport à chaque réactif.
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Exercice 3

Énoncé : Catalyse enzymatique (Modèle de Michaelis-Menten) Une enzyme $E$ réagit avec un substrat $S$ pour donner un produit $P$ selon : (1) $E + S \xrightleftharpoons[k_{-1}]{k_1} ES$ (2) $ES \xrightarrow{k_2} E + P$

  1. Appliquer l'AEQS au complexe enzyme-substrat $ES$.
  2. Sachant que la concentration totale en enzyme est $[E]_0 = [E] + [ES]$, exprimer $[ES]$ en fonction de $[E]_0$, $[S]$ et des constantes.
  3. En déduire la vitesse de formation de $P$. Montrer qu'elle peut s'écrire sous la forme $v = \frac{V_{max} [S]}{K_M + [S]}$.
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