Transformations Lentes et Rapides — Cours, Exercices (Bac SMA)

Objectifs d'apprentissage

Distinguer, à l'échelle macroscopique, une transformation chimique lente d'une transformation rapide
Citer des exemples de réactions lentes (oxydation des ions iodure par les ions peroxodisulfate) et de réactions rapides (précipitation, réaction acide-base fort/fort)
Identifier les facteurs cinétiques qui influencent la vitesse d'une transformation chimique : température, concentration des réactifs, catalyseur
Décrire qualitativement l'effet de chaque facteur cinétique sur la durée d'une transformation
Citer des méthodes physiques ou chimiques permettant de suivre l'évolution temporelle d'une transformation chimique
Justifier le choix d'une méthode de suivi selon la nature de la transformation étudiée

Formules et résultats clés

Un critère de lenteur, pas une frontière absolue

Une transformation chimique est qualifiée de rapide lorsque sa durée est trop courte pour être suivie à l'œil nu ou avec les instruments usuels du laboratoire (de l'ordre de la seconde ou moins). Elle est qualifiée de lente lorsque son évolution peut être suivie sur plusieurs secondes, minutes, heures ou jours.

Exemple de réaction lente

L'oxydation des ions iodure par les ions peroxodisulfate est l'exemple de référence d'une transformation lente, suivie sur plusieurs dizaines de minutes :

$S_2O_8^{2-}(aq) + 2I^-(aq) \rightarrow 2SO_4^{2-}(aq) + I_2(aq)$

Exemples de réactions rapides

Précipitation : $Ag^+(aq) + Cl^-(aq) \rightarrow AgCl_{(s)}$ (quasi instantanée)

Neutralisation acide-base forte : $H_3O^+(aq) + HO^-(aq) \rightarrow 2H_2O(l)$ (quasi instantanée)

Facteurs cinétiques

Température

Une augmentation de température accroît l'agitation thermique des espèces, donc la fréquence des chocs efficaces entre réactifs : la réaction est plus rapide.

Concentration des réactifs

Une concentration plus élevée augmente le nombre de chocs efficaces par unité de temps : la réaction est plus rapide.

Catalyseur

Une espèce chimique qui accélère la réaction sans être consommée et sans modifier l'état final atteint (mêmes produits, mêmes quantités).

Méthodes de suivi temporel

Pour suivre l'évolution d'une transformation lente, on peut effectuer un dosage (titrage) par prélèvements successifs, mesurer la conductivité de la solution (conductimétrie, si des ions sont formés ou consommés), suivre l'absorbance d'une espèce colorée (spectrophotométrie), mesurer le pH (réaction acide-base) ou la pression (réaction gazeuse). Le choix de la méthode dépend de la nature des espèces mises en jeu — l'exploitation quantitative de ce suivi (vitesse de réaction) fait l'objet du chapitre suivant.

Erreurs fréquentes

Croire qu'une transformation « lente » à l'échelle du laboratoire ne se produit pas — elle a bel et bien lieu, mais sur une durée observable (minutes, heures, voire jours).

Penser qu'un catalyseur modifie l'état d'équilibre final ou les quantités de produits formés — un catalyseur accélère uniquement la vitesse à laquelle cet état est atteint, sans en changer la nature ni l'ampleur.

Oublier qu'une augmentation de température accélère toute transformation chimique, lente ou rapide, et pas seulement les réactions déjà lentes.

Confondre « réaction instantanée » (durée quasi nulle, non mesurable avec les instruments usuels) et « réaction rapide mais mesurable » — la limite dépend en réalité de la précision de la méthode de suivi utilisée.

Croire que toute réaction de précipitation ou toute réaction acide-base est nécessairement rapide — c'est le cas pour la plupart des couples forts, mais certaines réactions de précipitation peuvent être plus lentes selon les espèces en jeu.

Exemple corrigé — Réactif limitant d'une réaction lente

Énoncé

On étudie la réaction (lente) $S_2O_8^{2-} + 2I^- \rightarrow 2SO_4^{2-} + I_2$ . On mélange à $t=0$ un volume $V_1=20\ \text{mL}$ d'une solution de peroxodisulfate de concentration $C_1=0{,}02\ \text{mol/L}$ avec un volume $V_2=20\ \text{mL}$ d'une solution d'iodure de potassium de concentration $C_2=0{,}10\ \text{mol/L}$ . 1) Calculer les quantités de matière initiales de chaque réactif. 2) Identifier le réactif limitant. 3) Expliquer pourquoi cette transformation peut être suivie « à l'œil » pendant plusieurs dizaines de minutes.

Correction

1) $n(S_2O_8^{2-}) = C_1V_1 = 0{,}02\times 0{,}020 = 4\times 10^{-4}\ \text{mol} = 0{,}4\ \text{mmol}$ . $n(I^-) = C_2V_2 = 0{,}10\times 0{,}020 = 2\times 10^{-3}\ \text{mol} = 2\ \text{mmol}$ .

2) La réaction consomme 2 mol d'I⁻ pour 1 mol de $S_2O_8^{2-}$ : consommer tout le $S_2O_8^{2-}$ (0,4 mmol) exigerait $2\times 0{,}4 = 0{,}8\ \text{mmol}$ d'I⁻, or on en dispose de 2 mmol (largement suffisant). Le réactif limitant est donc $S_2O_8^{2-}$ .

3) Bien que la réaction soit totale (elle va jusqu'à l'épuisement du réactif limitant), sa vitesse est intrinsèquement faible à température ambiante : les chocs efficaces entre ions $S_2O_8^{2-}$ et $I^-$ sont rares, ce qui explique pourquoi elle est classée parmi les réactions lentes et sert de référence pour l'étude de la cinétique chimique.

3 exercices pour t'entraîner

Exercice 1

Facile

Classer les transformations suivantes en « lente » ou « rapide » : a) précipitation de chlorure d'argent lors du mélange d'une solution de nitrate d'argent et d'une solution de chlorure de sodium ; b) formation de la rouille sur du fer exposé à l'air humide ; c) neutralisation d'un acide fort par une base forte.

Voir la correction

a) Rapide (précipitation quasi instantanée). b) Lente (se déroule sur plusieurs jours à plusieurs mois). c) Rapide (neutralisation quasi instantanée).

Exercice 2

Moyen

On mélange $V_1 = 10\ \text{mL}$ d'une solution de peroxodisulfate de potassium de concentration $C_1 = 0{,}05\ \text{mol/L}$ avec $V_2 = 15\ \text{mL}$ d'une solution d'iodure de potassium de concentration $C_2 = 0{,}08\ \text{mol/L}$ . L'équation de la réaction (lente) est $S_2O_8^{2-} + 2I^- \rightarrow 2SO_4^{2-} + I_2$ . Calculer les quantités de matière initiales $n(S_2O_8^{2-})$ et $n(I^-)$ , puis déterminer le réactif limitant.

Voir la correction

$n(S_2O_8^{2-}) = C_1V_1 = 0{,}05\times 0{,}010 = 5\times 10^{-4}\ \text{mol} = 0{,}5\ \text{mmol}$ . $n(I^-) = C_2V_2 = 0{,}08\times 0{,}015 = 1{,}2\times 10^{-3}\ \text{mol} = 1{,}2\ \text{mmol}$ . La stœchiométrie exige 2 mol d'I⁻ pour 1 mol de $S_2O_8^{2-}$ : consommer tout le $S_2O_8^{2-}$ nécessiterait $2\times 0{,}5=1\ \text{mmol}$ d'I⁻, or on en dispose de 1,2 mmol (en excès). Le réactif limitant est donc $S_2O_8^{2-}$ .

Exercice 3

Difficile

Pour étudier la cinétique d'une réaction lente, un chimiste prélève des échantillons du mélange réactionnel à intervalles réguliers, puis les refroidit brutalement dans un bain de glace avant de les doser. Expliquer, à l'aide des facteurs cinétiques, pourquoi cette technique (la « trempe ») permet de figer la composition du milieu au moment du prélèvement.

Voir la correction

Le refroidissement brutal diminue fortement la température de l'échantillon, ce qui réduit considérablement l'agitation thermique des espèces chimiques et donc la fréquence des chocs efficaces entre réactifs. La vitesse de la réaction devient alors quasi nulle : la composition du milieu est « figée » au moment du prélèvement, ce qui permet de doser les espèces restantes sans que la réaction continue d'évoluer pendant la manipulation.

3 exercices, c'est un début.

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Questions fréquentes

Comment distingue-t-on une transformation chimique lente d'une transformation rapide ?

Une transformation est dite rapide lorsque sa durée est trop courte pour être suivie à l'œil nu ou avec les instruments usuels du laboratoire (de l'ordre de la seconde ou moins) — c'est le cas de la plupart des précipitations et des réactions acide-base fort/fort. Une transformation est dite lente lorsqu'elle peut être suivie sur plusieurs secondes, minutes, heures, voire jours.

Quels sont les principaux facteurs cinétiques qui influencent la vitesse d'une réaction ?

Trois facteurs cinétiques principaux : la température (une augmentation accélère la réaction), la concentration des réactifs (une concentration plus élevée accélère la réaction) et la présence d'un catalyseur (qui accélère la réaction sans être consommé, sans modifier l'état final).

Quelles méthodes permettent de suivre l'évolution temporelle d'une transformation chimique lente ?

Selon la nature de la réaction, on peut utiliser un dosage (titrage) par prélèvements successifs, la conductimétrie (si des ions sont formés ou consommés), la spectrophotométrie (si une espèce colorée apparaît), la pH-métrie (réaction acide-base) ou une mesure de pression (réaction gazeuse).