Transformations lentes et rapides (chapitre 2 de chimie)
Introduction : Les transformations chimiques mises en œuvre dans un feu d’artifice sont associées à des réactions
d’oxydoréduction très rapides. Qu’est-ce qu’une transformation lente ? Une transformation rapide ?
I°) Rappels d’oxydoréduction :
1°) Réaction d’oxydoréduction :
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Une réaction d’oxydoréduction met en jeu un transfert d'électrons entre un oxydant et un réducteur. Un oxydant est une entité chimique capable de gagner un ou plusieurs électrons. (Oxydant : gagne) Un réducteur est une entité chimique capable de perdre un ou plusieurs électrons. (Réducteur : perd) |
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Une oxydation est une perte d’électrons et une réduction est un gain d’électrons. Au cours d’une réaction d’oxydoréduction, un oxydant est réduit et un réducteur est oxydé
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2°) Couple oxydant / réducteur :
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Un oxydant et un réducteur conjugués forment un couple oxydant/réducteur, noté Ox / Red. Le
passage possible d’un oxydant à son réducteur conjugué et réciproquement
est formalisé par une demi-équation électronique :
Ox +
ne- =Red
Ex : Fe3+(aq)
+ e-= Fe2+ (aq) ( réduction)
Cu =
Cu2+(aq) + 2e-(oxydation)
Oxydant
réducteur
réducteur
Oxydant |
3°) Équation d’une réaction d’oxydoréduction. :
Une réaction d’oxydoréduction fait intervenir l’oxydant Ox1 et le réducteur Red2 de deux couples oxydant réducteur
Ox1 / Red1 et Ox2 / Red2.
Dans le bilan de la réaction, les électrons ne doivent pas apparaître.
(Ox1 +n1e-= Red1)
n2
(Red2=Ox2+ n2e-)
n1
n2Ox1 + n1Red2 =n2Red1 + n1Ox2
II°) Transformations rapides et lentes :
1°) Cinétique chimique :
Chaque système chimique évolue à une certaine vitesse. L’étude de l’évolution temporelle de systèmes
chimiques constitue la cinétique chimique.
2°) Classification cinétique :
À l’échelle humaine, on distingue trois catégories de transformations chimiques :
- Les transformations quasi instantanées. On dit que la réaction est rapide. Sa durée est inférieure à la seconde.
On ne peut pas observer l’évolution de la réaction à l’œil. C’est le cas de certaines réactions de précipitation.
La formation du précipité se fait instantanément.
- Les transformations lentes. Une réaction est lente si sa durée est de l'ordre de quelques secondes à plusieurs
minutes. On peut observer l'évolution de la réaction.
- Les transformations extrêmement lentes ou infiniment lentes. Une réaction est infiniment lente si sa durée est de l'ordre
de plusieurs jours à plusieurs semaines. On ne peut pas observer l’évolution de la réaction à l’œil.
III°) Mise en évidence expérimentale d’une transformation rapide :
1°) Réaction entre les ions permanganate et les ions fer (II) en solution aqueuse acidifiée :
a) Expérience :
On verse une solution aqueuse de permanganate de potassium (burette) dans un bécher contenant une solution
aqueuse acidifiée de sulfate de fer II.
b) Observations : il se produit une décoloration immédiate de la solution de K+(aq) + MnO4- (aq)
La coloration violette de la solution de permanganate de potassium est due à la présence des ions permanganate en
solution aqueuse.
c) Interprétation :
Il se produit une réaction d’oxydoréduction entre les couples oxydant réducteur suivants : MnO4- (aq)/Mn2+(aq) et
Fe3+(aq)/Fe2+ (aq)
Ecrire la demi équation associée à chaque couple et écrire l’équation de la réaction.
Couple MnO4- (aq)/Mn2+(aq) :
Conservation de l’élément manganèse : MnO4- =Mn2+
Conservation de l’élément oxygène : on équilibre l’oxygène avec de l’eau :
MnO4- = Mn2+ + 4H2O
Conservation de l’élément hydrogène : on équilibre l’hydrogène avec H+ (aq) en milieu acide :
MnO4- + 8H+ = Mn2+ + 4H2O
Conservation de la charge : on équilibre la charge avec les électrons :
MnO4- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O
Couple : Fe3+(aq)/Fe2+ (aq)
½ équation :
équation bilan de la réaction : MnO4- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O
( Fe2+ = Fe3+ + e) x 5
MnO4- (aq) + 8H+(aq) + 5 Fe2+(aq) = Mn2+(aq) + 4H2O + 5 Fe3+(aq)
2°) Réaction de précipitation : (Formation d’un précipité d’hydroxyde de fer III)
On verse quelques gouttes de soude dans un bécher contenant une solution aqueuse de chlorure de fer III.
Il se forme un précipité orange d’hydroxyde de fer III. La formation du précipité
est immédiate. C’est une réaction rapide.
Équation de la réaction : Fe3+(aq) + 3 OH- (aq) = Fe(OH)3
IV°) Mise en évidence expérimentale d’une transformations lente :
Oxydation des ions iodure par de peroxyde d’hydrogène en milieu acide.
a) Expérience :
A l’instant t = 0 s, on verse un volume V3 = 50 mL d’une solution d’iodure de potassium de concentration
C3 =0,20 mol / L et un volume V1 = 50 mL d’une solution d’eau oxygénée de concentration C1 = 1,0x 10-2mol / L
dans un bécher de 100 mL. On ajoute quelques gouttes d’acide sulfurique concentré.
Le peroxyde d’oxygène est de l’eau oxygénée, c’est l’oxydant du couple : H2O2 (aq)/H2O
Observations : Au cours du temps, la solution contenue dans le bécher prend une teinte brun orangé
On peut observer l’évolution de la transformation grâce au changement de teinte de la solution. Le changement de teinte
est dû à la formation de diiode en milieu aqueux
Autre couple qui intervient : I2/I-
b) Interprétation :
Il se produit une réaction d’oxydoréduction entre les ions iodure et l’eau oxygénée en milieu acide. Cette
transformation est lente par rapport à l’échelle humaine.
Ecrire les ½ équations et l’équation bilan de la réaction chimique :
H2O2 + 2 H+ +2e=2 H2O
2 I- = I2 + 2e
H2O2 (aq) + 2 I- (aq) + 2 H+(aq) =2 H2O + I2(aq)
V°) Les facteurs cinétiques (voir TP n°1 de chimie) :
Un facteur cinétique est une grandeur qui influe sur la durée d’une transformation.
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La température est un facteur cinétique : plus la température du milieu réactionnel est élevée, plus la durée de la transformation est courte La concentration initiale des réactifs est un deuxième facteur cinétique : plus la concentration initiale des réactifs est élevée, plus la durée de la transformation est courte. Une transformation est d’autant plus rapide qu’elle est réalisée à haute température et avec des concentrations initiales de réactifs plus grandes
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VI°) Applications :
1°) La trempe :
Elle désigne le refroidissement brutal d’un milieu réactionnel pour le rendre cinétiquement inerte. On utilise ce procédé
lors de dosages en séances de travaux pratiques pour arrêter la réaction à un instant donné t.
2°) Conservations des aliments :
Pour ralentir les réactions indésirables, on place les aliments au réfrigérateur ou au congélateur.
3°) Accélération des réactions :
Pour accélérer la cuisson des aliments, on utilise des autocuiseurs. En augmentant la température, on diminue le
temps de cuisson des aliments.
