Chapitres
Plan du chapitre

L'essentiel
1. Rappels : les réactions d'oxydoréduction
Définition
Un oxydant est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs électrons. Un réducteur est une espèce capable de céder un ou plusieurs électrons. Un oxydant et un réducteur qui se correspondent forment un couple noté , et la demi-équation associée s'écrit :
Une réaction d'oxydoréduction est un transfert d'électrons : l'oxydant d'un couple réagit avec le réducteur d'un autre couple. Dans l'équation de la réaction, il n'y a aucun électron : on multiplie les deux demi-équations pour que les électrons cédés soient égaux aux électrons captés, puis on les additionne.
Dans ce cours, on écrit l'ion hydronium (écrire donne les mêmes résultats). Voici les couples que tu rencontreras dans ce chapitre et dans le suivant.
| Couple Ox/Red | Demi-équation (sens Ox + n e⁻ = Red) |
|---|---|
2. Transformations rapides, lentes et très lentes
Deux systèmes chimiques qui évoluent vers le même état final ne le font pas forcément à la même allure. L'étude de la durée d'une transformation s'appelle la cinétique chimique.
Définition
Une transformation est rapide quand elle semble terminée dès que les réactifs sont mélangés : on ne peut pas suivre son évolution à l'œil nu ni avec un chronomètre. Elle est lente quand son évolution dure de quelques secondes à plusieurs minutes, voire plusieurs heures ou quelques jours : on peut alors la suivre à l'œil ou avec un appareil. Elle est très lente quand aucune évolution n'est perceptible avant des semaines, des mois ou des années (voire pas du tout à notre échelle).
Voici quelques exemples classiques.
| Transformation | Observation | Type |
|---|---|---|
| Ions + ions (précipité de chlorure d'argent) | précipité blanc immédiat | rapide |
| Ions + ions en milieu acide | la couleur violette disparaît à chaque goutte | rapide |
| Ions + ions | la teinte jaune du diiode apparaît en quelques minutes | lente |
| Ions + acide oxalique à température ambiante | décoloration progressive en quelques minutes | lente |
| Corrosion d'un clou en fer à l'air humide | rouille visible après des semaines | très lente |
Remarque
Une transformation rapide ou lente n'est pas forcément « totale » : la durée (la cinétique) et l'état final (l'état d'équilibre, étudié plus loin dans le programme) sont deux questions différentes.
Attention
Un mélange de dihydrogène et de dioxygène, à température ambiante et sans étincelle, ne montre aucune évolution : on dit que le système est cinétiquement inerte. Cela ne veut pas dire que la réaction est impossible : une étincelle la déclenche de façon explosive. « Pas d'évolution visible » ne signifie pas « pas de réaction possible ».
3. Mettre en évidence expérimentalement une transformation lente
Pour suivre une transformation lente, on repère une propriété du mélange qui change au cours du temps.
- Couleur : le diiode est jaune à brun selon sa concentration ; les ions permanganate sont violets alors que les ions sont presque incolores.
- Dégagement gazeux : des bulles de dihydrogène apparaissent quand du zinc réagit avec de l'acide chlorhydrique.
- Précipité : apparition d'un trouble ou d'un dépôt.
- Grandeurs mesurables : pression, volume de gaz, conductivité, absorbance (voir le chapitre suivant sur le suivi temporel).
Exemple : dans un bécher, on mélange une solution d'iodure de potassium et une solution de peroxodisulfate d'ammonium. La solution est d'abord incolore, puis jaune pâle au bout de quelques dizaines de secondes, puis brune. L'équation est . Comme la teinte évolue pendant plusieurs minutes, la transformation est lente.
4. Les facteurs cinétiques
Définition
Un facteur cinétique est une grandeur qui modifie la vitesse d'évolution d'un système chimique. Dans ce chapitre, on étudie la concentration initiale des réactifs et la température.
La concentration. Plus les concentrations des réactifs sont grandes, plus la transformation est rapide. À l'échelle microscopique, il y a plus d'entités par unité de volume : elles se rencontrent plus souvent, donc le nombre de chocs efficaces par seconde augmente.
La température. Plus la température du mélange est élevée, plus la transformation est rapide. Les entités se déplacent plus vite : les chocs sont plus fréquents et plus souvent efficaces.
Propriété
Une élévation de température ou de concentration d'un réactif raccourcit la durée de la transformation ; une diminution l'allonge. Pour une transformation totale, la température ne change que la durée de l'évolution : l'avancement maximal reste fixé par les quantités de matière initiales (réactif limitant).
Remarque
La catalyse (une espèce qui accélère la transformation sans être consommée) et l'état de division d'un solide sont d'autres moyens d'agir sur la durée. Ils ne sont pas détaillés ici, ce chapitre se limitant à la concentration et à la température ; la catalyse est reprise dans le chapitre sur le contrôle de l'évolution d'un système chimique.
5. Comparer des expériences
Pour montrer l'influence d'un facteur, on compare deux expériences où un seul facteur change et où tout le reste est identique : mêmes espèces, même volume total, et mêmes valeurs des autres facteurs (la température et les concentrations qui ne sont pas étudiées). Si deux facteurs changent à la fois, on ne peut pas conclure.
6. Applications
- Accélérer : chauffer un mélange, utiliser des solutions plus concentrées, cuire dans une cocotte-minute (température d'ébullition plus élevée donc cuisson plus rapide).
- Ralentir : conserver les aliments au réfrigérateur ou au congélateur (les transformations de dégradation deviennent beaucoup plus lentes).
- La trempe : pour étudier un mélange à une date précise, on prélève un échantillon, on le verse dans de l'eau glacée. Le refroidissement brusque et la dilution abaissent la température et les concentrations : la transformation est ralentie au point d'être considérée comme arrêtée, le temps de l'analyser.
Méthodes
Méthode 1 : Écrire l'équation d'une réaction d'oxydoréduction
- Repère les deux couples et ; l'oxydant réagit avec le réducteur .
- Écris la demi-équation de dans le sens de la réduction, et celle de dans le sens de l'oxydation.
- Multiplie chaque demi-équation pour égaler le nombre d'électrons.
- Additionne, simplifie, puis vérifie la conservation des atomes et de la charge.
Exemple : permanganate et ions fer II en milieu acide.
- (multipliée par 5)
En additionnant : . Vérification : charge à gauche , à droite .
Méthode 2 : Décider si une transformation est lente ou rapide
- Regarde si l'on peut suivre l'évolution (couleur, bulles, mesure) pendant le temps d'observation.
- Si le système paraît terminé dès le mélange : rapide. Si l'évolution dure de quelques secondes à plusieurs minutes ou heures : lente.
- Si rien n'est visible au bout d'un temps très long, parle de système cinétiquement inerte sans conclure que la réaction est impossible.
Exemple : la décoloration d'une solution de permanganate acidifié par l'acide oxalique prend plusieurs minutes à 20 °C avec les concentrations usuelles de travaux pratiques : elle est lente.
Méthode 3 : Calculer les concentrations initiales dans un mélange
- Calcule la quantité de matière de chaque réactif : .
- Divise par le volume total du mélange : .
- N'oublie pas de compter l'eau ajoutée dans le volume total.
Exemple : on mélange de KI à , de peroxodisulfate à et d'eau (). Alors et .
Méthode 4 : Identifier un facteur cinétique à partir d'un tableau d'expériences
- Dresse le tableau des conditions : température, concentrations, volumes.
- Repère les deux expériences qui ne diffèrent que par un seul paramètre.
- Compare les durées : l'expérience la plus rapide a la durée la plus courte.
- Conclus en une phrase : « quand la concentration (ou la température) augmente, la transformation est plus rapide ».
Exemple : l'expérience 1 (, ) dure et l'expérience 2 (, ) dure . Seule la concentration change : la concentration en est un facteur cinétique, et plus elle est grande, plus la transformation est rapide.
Exercices corrigés
Exercice 1 : Couples et demi-équations
Facile- Écris la demi-équation de chacun des couples suivants dans le sens de la réduction : ; ; ; (milieu acide) ; (milieu acide).
- Dans la réaction , indique les deux couples, l'oxydant, le réducteur et le nombre d'électrons échangés par atome de zinc.
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1) On écrit en équilibrant les atomes d'oxygène avec , puis les atomes d'hydrogène avec , puis la charge avec les électrons.
- (charge à gauche : , à droite : )
- (charge à gauche : )
2) Les couples sont et . Le zinc devient : il cède des électrons, c'est le réducteur (). L'ion devient : il capte des électrons, c'est l'oxydant (). Chaque atome de zinc échange 2 électrons.
Exercice 2 : Équations de réactions
FacileÉcris l'équation de la réaction entre :
- les ions permanganate et les ions fer II en milieu acide (couples et ) ;
- les ions peroxodisulfate et les ions iodure (couples et ) ;
- l'eau oxygénée et les ions iodure en milieu acide (couples et ).
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1) Réduction : . Oxydation (fois 5) : . Somme : . Charges : et .
2) Réduction : . Oxydation : . Les électrons sont déjà égaux : . Charges : et .
3) Réduction : . Oxydation : . Somme : . Atomes d'hydrogène : à gauche et à droite ; atomes d'oxygène : à gauche et à droite ; la charge totale est nulle de chaque côté.
Exercice 3 : Lente ou rapide ?
FacileOn observe les transformations suivantes.
- (a) Ajout de quelques gouttes de nitrate d'argent à une solution de chlorure de sodium : un précipité blanc apparaît immédiatement.
- (b) Mélange d'une solution de permanganate de potassium acidifiée et d'une solution de sulfate de fer II : la couleur violette disparaît instantanément à chaque goutte.
- (c) Mélange d'iodure de potassium et de peroxodisulfate d'ammonium : la solution devient jaune au bout d'environ une minute, puis brune.
- (d) Un clou de fer laissé à l'air humide : des taches de rouille apparaissent après plusieurs semaines.
- (e) Un mélange de dihydrogène et de dioxygène à température ambiante, sans étincelle, n'évolue pas de façon visible pendant des mois.
- Classe chaque transformation : rapide, lente ou très lente.
- La transformation (e) est-elle impossible ? Justifie.
- Pourquoi une réaction utilisée pour un dosage doit-elle être rapide ?
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1) (a) rapide : le précipité se forme dès le mélange. (b) rapide : l'effet est immédiat. (c) lente : l'évolution dure une à plusieurs minutes et peut être suivie à l'œil. (d) très lente : il faut des semaines. (e) très lente à l'échelle observée : le système est cinétiquement inerte.
2) Non. L'absence d'évolution visible indique seulement que la transformation est extrêmement lente dans ces conditions. Une étincelle ou un catalyseur déclenche la réaction, qui devient alors très rapide : elle est donc possible.
3) Au cours d'un dosage, on ajoute le réactif titrant goutte à goutte et on repère l'équivalence par un changement brusque. Si la réaction était lente, le réactif ajouté n'aurait pas le temps de réagir avant l'ajout suivant et l'équivalence serait mal repérée (on la dépasserait).
Exercice 4 : Concentrations après mélange
MoyenOn mélange d'une solution d'iodure de potassium () de concentration et d'une solution de peroxodisulfate de potassium () de concentration . L'équation de la réaction est .
- Calcule les concentrations initiales et dans le mélange.
- Calcule les quantités de matière initiales de chaque réactif et détermine le réactif limitant.
- En déduire la quantité maximale de diiode formé et sa concentration maximale dans le mélange.
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1) Le volume total est . Donc et .
2) et . D'après l'équation, mol de consomme mol de . Pour consommer tout le peroxodisulfate, il faut d'iodure, ce qui est inférieur à : l'iodure est en excès et le peroxodisulfate est le réactif limitant.
3) , soit .
Exercice 5 : Influence de la température
MoyenUn élève place de zinc en grenaille (toujours le même lot) dans d'acide chlorhydrique à , et mesure la durée nécessaire pour recueillir de dihydrogène par déplacement d'eau. Il refait l'expérience trois fois en ne changeant que la température de l'acide.
| Expérience | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|
| Température (°C) | 15 | 35 | 55 |
| Durée (s) | 310 | 105 | 38 |
Données : ; volume molaire des gaz dans les conditions de l'expérience .
- Écris l'équation de la réaction (couples et ).
- Quel facteur cinétique est étudié ? Quelles grandeurs faut-il garder identiques ?
- Classe les expériences de la plus rapide à la plus lente et conclus.
- Calcule le débit moyen de dihydrogène en pour chaque expérience.
- Calcule la quantité de dihydrogène recueilli et montre que le zinc est largement en excès au moment où l'on arrête la mesure.
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1) .
2) Le facteur étudié est la température. Il faut garder identiques la masse et l'état du zinc, le volume et la concentration de l'acide, et le volume de gaz recueilli () : un seul paramètre change.
3) Plus la durée est courte, plus la transformation est rapide : l'expérience 3 () est la plus rapide, puis la 2, puis la 1. Conclusion : quand la température augmente, la transformation est plus rapide.
4) Expérience 1 : . Expérience 2 : . Expérience 3 : . Le débit croît avec la température.
5) . Le zinc initial vaut . Comme , il reste environ du zinc. Les trois expériences sont arrêtées au même avancement (même volume de gaz), donc leurs durées sont bien comparables.
Exercice 6 : Influence de la concentration
MoyenOn prépare trois mélanges de volume total à avec une solution d'iodure de potassium à , une solution de peroxodisulfate d'ammonium à et de l'eau distillée. On note la durée au bout de laquelle la teinte jaune atteint la même intensité (comparaison avec un tube témoin).
| Mélange | KI à (mL) | Peroxodisulfate (mL) | Eau (mL) | (s) |
|---|---|---|---|---|
| A | 10,0 | 10,0 | 30,0 | 160 |
| B | 20,0 | 10,0 | 20,0 | 82 |
| C | 40,0 | 10,0 | 0 | 41 |
- Calcule, pour chaque mélange, et initiales.
- Quel paramètre varie d'un mélange à l'autre ? Pourquoi ajoute-t-on de l'eau ?
- Conclus sur l'influence de la concentration.
- Compare les durées de B et de A : par quel facteur est-il divisé quand est multiplié par ?
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1) Pour tous les mélanges : . Pour l'iodure : A : ; B : ; C : .
2) Seule la concentration en ions iodure varie. On complète avec de l'eau pour que le volume total (donc la concentration en peroxodisulfate) reste identique d'un mélange à l'autre : on ne change bien qu'un facteur à la fois.
3) Plus est grande, plus est court : quand la concentration d'un réactif augmente, la transformation est plus rapide.
4) , soit environ . Dans ces conditions, doubler divise la durée par environ ; ce constat est propre à cette expérience et ne se généralise pas à toutes les transformations.
Exercice 7 : Concevoir une expérience comparative
DifficileAu laboratoire, on dispose d'une solution d'iodure de potassium à , d'une solution de peroxodisulfate d'ammonium à , d'eau distillée, d'un thermostat et d'une verrerie jaugée. L'expérience de référence R est réalisée à dans un volume total de avec et .
- Calcule les volumes de chaque solution à prélever pour réaliser R.
- On veut étudier l'effet de la concentration en iodure seul : propose le mélange S (, ) avec et la même concentration en peroxodisulfate. Donne les volumes.
- On veut étudier l'effet de la température seule : décris le mélange T.
- Un élève réalise le mélange U à avec et le compare à R. Que peut-il conclure ?
- Vérifie dans R que l'iodure est en excès et donne .
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1) ; ; eau : .
2) ; persulfate : (inchangé) ; eau : . Seul change entre R et S.
3) Le mélange T est identique à R (mêmes volumes : , et ), mais placé dans un bain thermostaté à une autre température (par exemple ). On compare T et R.
4) Dans U, deux facteurs ont changé (la température et la concentration) : si U est plus rapide, on ne peut pas dire lequel des deux facteurs en est responsable. L'élève peut seulement dire que, dans l'ensemble, la transformation a été accélérée. Il devrait comparer U à S (même concentration, température différente) ou à T.
5) et . Il faut d'iodure pour tout consommer, ce qui est inférieur à : l'iodure est en excès, le peroxodisulfate est limitant et .
Exercice 8 : Eau oxygénée et ions iodure
Type BacOn étudie la réaction entre l'eau oxygénée et les ions iodure en milieu acide. Pour l'expérience A, on mélange dans un bécher de solution d'iodure de potassium à , de solution d'eau oxygénée à , d'acide chlorhydrique à et d'eau distillée, à . Le mélange, incolore au départ, devient jaune puis brun foncé en quelques minutes.
Pour étudier l'influence de deux facteurs, on réalise deux autres expériences.
| Expérience | Température | KI : volume et concentration | Autres volumes | Durée pour atteindre la même teinte brune |
|---|---|---|---|---|
| A | à | référence | 6 min | |
| B | à | identiques à A | 3 min | |
| C | à | identiques à A | 1 min 30 s |
- Écris les demi-équations des couples et , puis l'équation de la réaction.
- Pourquoi la transformation est-elle qualifiée de lente ? Quel indice la met en évidence ?
- Calcule les concentrations initiales de , et dans l'expérience A. Détermine le réactif limitant et la concentration maximale en diiode.
- En comparant A et B, puis A et C, indique le facteur cinétique mis en évidence dans chaque cas et conclus.
- Pour analyser le mélange A à la date , on en prélève un échantillon que l'on verse dans de l'eau glacée. Quel est le nom de cette opération ? Explique pourquoi elle arrête (presque) la transformation.
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1) Réduction : . Oxydation : . Équation : .
2) La transformation dure plusieurs minutes et le mélange change progressivement de couleur : on peut suivre l'évolution à l'œil. L'indice est l'apparition graduelle de la teinte jaune puis brune du diiode : la transformation est lente.
3) Volume total : . Alors , et . Quantités : , , . D'après l'équation, il faut mol de et mol de pour mol de : les besoins sont de chacun, bien inférieurs aux quantités disponibles. Le réactif limitant est et , soit .
4) A et B diffèrent seulement par la concentration en iodure (doublée dans B, avec même volume total) et B est deux fois plus rapide : la concentration est un facteur cinétique. A et C ne diffèrent que par la température ( puis ) et C est plus rapide : la température est un facteur cinétique. Conclusion : plus la concentration d'un réactif ou la température est élevée, plus la transformation est rapide.
5) C'est une trempe. L'eau glacée abaisse brutalement la température, et la dilution diminue les concentrations des réactifs. Ces deux facteurs cinétiques ralentissent fortement la réaction : la composition de l'échantillon reste (presque) celle de la date pendant l'analyse.
Exercice 9 : Permanganate et acide oxalique
Type BacOn étudie la réaction entre les ions permanganate (violets) et l'acide oxalique , en milieu acide, qui donne des ions (presque incolores) et du dioxyde de carbone. Pour chaque expérience, on mélange de solution de permanganate de potassium à , de solution d'acide oxalique et de solution d'acide sulfurique à (les ions sont en large excès). On note la durée de décoloration complète.
| Expérience | Acide oxalique | Température | Durée de décoloration |
|---|---|---|---|
| 1 | 250 s | ||
| 2 | 62 s | ||
| 3 | 480 s |
- Écris les demi-équations des couples et , puis l'équation de la réaction.
- Quelle observation montre que la transformation est lente ?
- Calcule les concentrations initiales de et de dans les expériences 1 et 3.
- Montre, pour l'expérience 1, que les ions permanganate sont le réactif limitant. Pourquoi la disparition de la couleur violette marque-t-elle la fin de la transformation ?
- Quel facteur cinétique met en évidence la comparaison des expériences 1 et 2 ? Et celle des expériences 1 et 3 ? Justifie le choix des couples d'expériences.
- Interprète à l'échelle microscopique l'effet observé entre 1 et 2.
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1) Réduction (fois 2) : . Oxydation (fois 5) : . En additionnant : (on a simplifié : ions à gauche, et molécules à droite). Vérification : charge à gauche, à droite.
2) La solution violette se décolore progressivement en plusieurs minutes (250 s à ) : l'évolution est lente et visible à l'œil.
3) Volume total . Expérience 1 : et . Expérience 3 : même et .
4) Dans l'expérience 1 : et . D'après les coefficients et : et . Le plus petit rapport correspond au réactif limitant : ce sont les ions permanganate. Quand ils ont tous disparu, plus rien ne colore la solution en violet : la décoloration complète marque donc la fin de la transformation.
5) Expériences 1 et 2 : seule la température change ( puis ), et la durée passe de à : la température est un facteur cinétique. Expériences 1 et 3 : seule la concentration en acide oxalique change ( puis ) et la durée passe de à : la concentration est un facteur cinétique. Dans chaque couple, un seul paramètre varie, ce qui permet d'attribuer l'écart de durée à ce paramètre.
6) À , les entités du mélange ont une énergie cinétique plus grande : elles se déplacent plus vite, se rencontrent plus souvent et plus de chocs sont efficaces. Le nombre de transformations par seconde est plus grand, donc la décoloration est plus rapide.
QCM
Une réponse, puis l'explication : les questions ratées sont gardées dans Mes pièges.
Lancer le quiz du chapitreErreurs fréquentes
- Confondre rapide et totale. Une transformation rapide n'est pas forcément totale, et une transformation lente peut très bien être totale. La rapidité concerne la durée, pas l'état final.
- Inverser oxydant et réducteur. L'oxydant capte des électrons ; le réducteur en cède. Un moyen mnémotechnique : l'oxydant est celui qui est réduit.
- Laisser des électrons dans l'équation de la réaction. L'équation finale ne contient jamais d'électrons : on multiplie les demi-équations pour qu'ils s'annulent.
- Oublier de vérifier la charge après avoir équilibré les atomes (surtout avec et ).
- Utiliser la concentration de la solution mère au lieu de celle du mélange. Il faut diviser par le volume total (eau comprise).
- Conclure « pas de réaction » quand rien ne se voit. Le système peut être cinétiquement inerte : la réaction est alors possible mais très lente.
- Comparer deux expériences où deux facteurs changent. Il faut modifier un seul paramètre à la fois pour attribuer la différence de durée à ce paramètre.
- Croire que la température change la composition finale. Pour une transformation totale, elle modifie la durée, pas l'avancement maximal qui dépend des quantités initiales.
À retenir
- Un oxydant capte des électrons, un réducteur cède des électrons ; une réaction d'oxydoréduction est un transfert d'électrons entre l'oxydant d'un couple et le réducteur d'un autre.
- Une transformation est rapide (terminée dès le mélange), lente (évolution visible pendant des secondes à des heures) ou très lente (aucune évolution perceptible).
- « Pas d'évolution visible » ne veut pas dire « réaction impossible » : le système peut être cinétiquement inerte.
- Les deux facteurs cinétiques étudiés ici sont la concentration initiale des réactifs et la température : quand ils augmentent, la transformation est plus rapide.
- Interprétation microscopique : plus de chocs, et plus de chocs efficaces, par unité de temps.
- Pour comparer deux expériences, on ne change qu'un seul paramètre à la fois.
- La concentration dans un mélange se calcule avec le volume total : .
- La trempe (refroidissement brusque et dilution) permet d'analyser un mélange à une date précise.
Mes notes
Tes notes restent sur cet appareil.
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