Objectifs

• Interpréter les facteurs cinétiques (température, concentration) à l’échelle microscopique par les chocs efficaces.
• Décrire un mécanisme réactionnel comme une suite d’actes élémentaires et repérer les intermédiaires réactionnels.
• Utiliser les flèches courbes pour représenter le mouvement des doublets d’électrons entre site donneur et site accepteur.
• Définir un catalyseur, distinguer catalyse homogène, hétérogène et enzymatique, et expliquer comment il agit.

1. À l’échelle microscopique : les chocs efficaces

Un choc efficace est une collision entre entités réactives qui conduit à une réaction. Il faut une énergie au moins égale à l’énergie d’activation \(E_a\), une barrière à franchir.

• Quand la concentration des réactifs augmente, les chocs sont plus fréquents : la vitesse augmente.
• Quand la température augmente, l’agitation thermique est plus grande : les chocs sont plus fréquents et une plus grande proportion d’entre eux est efficace.

2. Le mécanisme réactionnel

Un mécanisme réactionnel est la suite des actes élémentaires qui conduisent des réactifs aux produits. Un acte élémentaire se produit en une seule collision, à l’échelle microscopique.

• Un intermédiaire réactionnel est formé lors d’une étape et consommé lors d’une étape suivante : il n’apparaît pas dans l’équation bilan.
• L’équation bilan est la somme des actes élémentaires, après simplification des espèces présentes des deux côtés.
• L’étape la plus lente impose son rythme à toute la réaction : c’est l’étape cinétiquement déterminante, comme le passage du bac sur le fleuve qui fixe la durée du voyage, quelle que soit la vitesse du car sur la route.

Les flèches courbes

Chaque acte élémentaire se représente avec des flèches courbes : une flèche part d’un site donneur de doublet d’électrons (doublet non liant, liaison multiple, atome porteur d’une charge négative ou d’une charge partielle \(\delta^-\)) et pointe vers un site accepteur (atome porteur d’une charge positive ou d’une charge partielle \(\delta^+\)). Elle décrit le déplacement d’un doublet, qui forme ou rompt une liaison.

Exemple résolu

On propose pour la réaction \(\ce{2NO + O2 -> 2NO2}\) le mécanisme suivant :

Vérifie que ce mécanisme redonne l’équation bilan, repère l’intermédiaire et l’étape cinétiquement déterminante. Cherche d’abord.

3. La catalyse

Un catalyseur est une espèce qui accélère une réaction sans être consommée : il intervient dans le mécanisme mais il est régénéré à la fin. Il n’apparaît donc pas dans l’équation bilan et ne modifie pas l’état final du système.

Profil énergétique modèle : en abscisse l’avancement du processus, en ordonnée l’énergie (unités arbitraires). La première courbe montre la réaction sans catalyseur (barrière de hauteur a), la seconde avec catalyseur (deux barrières de hauteur c). Diminue c pour voir le raccourci.

Les deux courbes partent du même niveau (réactifs) et arrivent au même niveau (produits) : le catalyseur ne change que la hauteur des barrières.

Les trois types de catalyse

• Homogène : le catalyseur est dans la même phase que les réactifs, par exemple des ions fer(III) dissous dans une solution d’eau oxygénée.
• Hétérogène : le catalyseur est dans une autre phase, en général un solide sur lequel réagissent des gaz ou des liquides, comme le platine des pots catalytiques des voitures.
• Enzymatique : le catalyseur est une enzyme, une protéine produite par les êtres vivants, très efficace et très sélective. La catalase du sang décompose l’eau oxygénée : c’est la mousse qui apparaît quand on désinfecte une plaie.

flowchart LR
  C1[Catalyseur fer III] -->|reagit avec H2O2| I[Intermediaire fer II]
  I -->|reagit avec H2O2| C2[Catalyseur fer III regenere]
  C2 -.-> C1

Exemple résolu

La décomposition de l’eau oxygénée, \(\ce{2H2O2 -> O2 + 2H2O}\), est catalysée par les ions fer(III). Mécanisme proposé :

Montre que \(\ce{Fe^3+}\) est un catalyseur et indique le type de catalyse. Cherche d’abord.

Erreurs fréquentes

• Écrire le catalyseur ou un intermédiaire réactionnel dans l’équation bilan.
• Confondre catalyseur (consommé puis régénéré) et intermédiaire (formé puis consommé).
• Faire partir une flèche courbe d’un atome accepteur ou d’un ion \(\ce{H+}\).
• Croire qu’un catalyseur augmente la quantité de produit obtenue.
• Penser que la réaction va à la vitesse de l’étape la plus rapide : c’est l’étape la plus lente qui fixe le rythme.

Récapitulatif

Une réaction a lieu grâce à des chocs efficaces, plus nombreux quand la température ou la concentration augmentent. Son mécanisme est une suite d’actes élémentaires, représentés par des flèches courbes du site donneur vers le site accepteur ; les intermédiaires s’y forment puis disparaissent. Un catalyseur ouvre un chemin aux énergies d’activation plus faibles, il est régénéré et ne change pas l’état final ; la catalyse peut être homogène, hétérogène ou enzymatique.