Définition de la cinétique chimique en chimie

La cinétique chimique est l'étude des processus chimiques et des taux de réactions. Cela comprend l'analyse des conditions qui affectent la vitesse d'une réaction chimique, la compréhension des mécanismes de réaction et des états de transition, et la formation de modèles mathématiques pour prédire et décrire une réaction chimique. La vitesse d'une réaction chimique a généralement des unités de sec^-1, cependant, les expériences cinétiques peuvent s'étendre sur plusieurs minutes, heures ou même jours.

Aussi connu sous le nom

La cinétique chimique peut également être appelée cinétique de réaction ou simplement «cinétique».

Histoire de la cinétique chimique

Le domaine de la cinétique chimique s'est développé à partir de la loi de l'action de masse, formulée en 1864 par Peter Waage et Cato Guldberg. La loi de l'action de masse stipule que la vitesse d'une réaction chimique est proportionnelle à la quantité de réactifs. Jacobus van't Hoff a étudié la dynamique chimique. Sa publication de 1884 «Etudes de dynamique chimique» a conduit au prix Nobel de chimie de 1901 (qui était la première année où le prix Nobel a été décerné). Certaines réactions chimiques peuvent impliquer une cinétique compliquée, mais les principes de base de la cinétique sont appris dans les cours de chimie générale du secondaire et du collège.

Points clés à retenir: cinétique chimique

• La cinétique chimique ou cinétique de réaction est l'étude scientifique des taux de réactions chimiques, notamment le développement d'un modèle mathématique pour décrire le taux de réaction et une analyse des facteurs qui affectent les mécanismes de réaction..
• Peter Waage et Cato Guldberg sont reconnus comme pionniers dans le domaine de la cinétique chimique en décrivant la loi de l'action de masse. La loi de l'action de masse stipule que la vitesse d'une réaction est proportionnelle à la quantité de réactifs.
• Les facteurs qui affectent la vitesse d'une réaction comprennent la concentration de réactifs et d'autres espèces, la surface spécifique, la nature des réactifs, la température, les catalyseurs, la pression, s'il y a de la lumière et l'état physique des réactifs.

Lois de taux et constantes de taux

Des données expérimentales sont utilisées pour trouver les vitesses de réaction, à partir desquelles les lois de vitesse et les constantes de vitesse de cinétique chimique sont dérivées en appliquant la loi de l'action de masse. Les lois de taux permettent des calculs simples pour les réactions d'ordre zéro, les réactions du premier ordre et les réactions du second ordre.

• La vitesse d'une réaction d'ordre zéro est constante et indépendante de la concentration des réactifs.
  taux = k
• La vitesse d'une réaction de premier ordre est proportionnelle à la concentration d'un réactif:
  taux = k [A]
• La vitesse d'une réaction du second ordre a une vitesse proportionnelle au carré de la concentration d'un seul réactif ou bien le produit de la concentration de deux réactifs.
  taux = k [A]² ou k [A] [B]

Les lois de vitesse pour les étapes individuelles doivent être combinées pour dériver des lois pour des réactions chimiques plus complexes. Pour ces réactions:

• Il existe une étape de détermination de la vitesse qui limite la cinétique.
• L'équation d'Arrhenius et les équations d'Eyring peuvent être utilisées pour déterminer expérimentalement l'énergie d'activation.
• Des approximations en régime permanent peuvent être appliquées pour simplifier la loi des taux.

Facteurs affectant le taux de réaction chimique

La cinétique chimique prédit que la vitesse d'une réaction chimique sera augmentée par des facteurs qui augmentent l'énergie cinétique des réactifs (jusqu'à un certain point), conduisant à une probabilité accrue que les réactifs interagissent les uns avec les autres. De même, on peut s'attendre à ce que les facteurs qui diminuent le risque de collision des réactifs les uns avec les autres réduisent la vitesse de réaction. Les principaux facteurs qui affectent la vitesse de réaction sont:

• concentration de réactifs (l'augmentation de la concentration augmente la vitesse de réaction)
• Température (l'augmentation de la température augmente la vitesse de réaction, jusqu'à un certain point)
• présence de catalyseurs (les catalyseurs offrent à une réaction un mécanisme qui nécessite une énergie d'activation inférieure, de sorte que la présence d'un catalyseur augmente la vitesse d'une réaction)
• état physique des réactifs (les réactifs dans la même phase peuvent entrer en contact par action thermique, mais la surface et l'agitation affectent les réactions entre les réactifs dans différentes phases)
• pression (pour les réactions impliquant des gaz, l'augmentation de la pression augmente les collisions entre les réactifs, l'augmentation de la vitesse de réaction)

Notez que si la cinétique chimique peut prédire la vitesse d'une réaction chimique, elle ne détermine pas l'étendue de la réaction. La thermodynamique est utilisée pour prédire l'équilibre.

Sources

• Espenson, J.H. (2002). Cinétique chimique et mécanismes de réaction (2e éd.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-288362-6.
•  Guldberg, C. M .; Waage, P. (1864). "Etudes concernant l'affinité" Forhandlinger i Videnskabs-Selskabet i Christiania
• Gorban, A. N .; Yablonsky. G. S. (2015). Trois vagues de dynamique chimique. Modélisation mathématique des phénomènes naturels 10 (5).
• Laidler, K.J. (1987). Cinétique chimique (3e éd.). Harper et Row. ISBN 0-06-043862-2.
• Steinfeld J. I., Francisco J. S .; Hase W. L. (1999). Cinétique et dynamique chimiques (2e éd.). Prentice Hall. ISBN 0-13-737123-3.