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Réaction chimique

       

Sommaire
1 Qu'est-ce qu'une réaction chimique ?
2 Réaction chimique et énergie
3 Vitesse de réaction
4 Exemples de réactions chimiques
5 Voir aussi

Qu'est-ce qu'une réaction chimique ?

Une réaction chimique est une transformation de la matière qui se fait sans variation mesurable de masse. La matière est composée d'atomes regroupés dans des composés chimiques, au cours d'une réaction chimique, les composés s'échangent leurs atomes ; ce faisant, la nature des composés change.


Réaction chimique : échange d'atomes entre les composés, exemple de la combustion du méthane dans le dioxygène

Les réactions chimique provoquent un changement de la nature de la matière, on exclue donc les transformations purement physiques, comme les changements d'état (fusion, solidification, évaporation, ébullition...), l'usure et l'érosion, la rupture... On exclue également les transformation des noyaux des atomes, donc les réactions nucléaires. Les réaction chimiques ne concernent que changements de liaisons entre les atomes (liaisons covalentes, liaisons ioniques, liaisons métalliques).

Les produits chimiques présents en début de réaction sont appelés réactants. Les produits chimiques présents en fin de réaction sont appelés produits de réaction. Une réaction peut dégager de la chaleur, elle est alors dite exothermique. Elle peut nécessiter de la chaleur (donc "produire du froid"), elle est alors dite endothermique. D'une manière générale, une réaction ne avoir lieu que si certaines conditions sont réunies (présence des réactants, conditions de température, de pression, de lumière). Certaines réactions nécessitent, ou sont facilitée par, la présence d'une substance chimique appelée catalyseur. Le catalyseur permet la réaction ou la facilite, mais se retrouve intégralement dans les produits de réaction. Soit il ne participe pas à  la réaction mais se contente d'«activer» la rupture des liaisons, soit il y participe mais est régénéré à  la fin, le catalyseur n'est donc pas consommé dans la réaction. En biologie, les catalyseurs sont appelés enzymes.

Pour représenter les phénomènes qui ont lieu au cours d'une réaction chimique, on écrit une équation chimique.

Réaction chimique et énergie

En thermodynamique, on considère l'énergie totale d'un système. Les transformations ayant lieu lors de la réaction chimique entraînent une diminution de l'énergie totale. En effet, dans une molécule ou un cristal, l'«accrochage» des atomes entre eux nécessite de l'énergie, appelée énergie de liaison. Lorsque l'on rompt une liaison (on "casse" la molécules ou le cristal en "éparpillant" ses atomes), il faut fournir de l'énergie. Lorsque les atomes se recombinent, ils récupèrent de l'énergie pour former la liaison. à€ la fin d'une réaction, l'énergie stockée dans les liaisons des produits de réaction est plus faible que celle qui était stockée dans les liaisons des réactant.

Mais au cours de la réaction, il y a un moment o๠les anciennes liaisons sont rompues et les nouvelles ne sont pas encore crées. C'est un état o๠l'énergie du système est élevée, un état transitoire, qui fait une véritable barrière à  la réaction. L'amorçage de la réaction consiste tout simplement à  faire franchir cette barrière énergétique au système. Cette barrière énergétique est appelée énergie d'activation.

Afin de simplifier l'étude, on isole la partie purement chimique de l'énergie en considérant les autres parties de l'énergie (notamment la chaleur et l'énergie de compression) constantes. Cette énergie chimique est appelée enthalpie et est notée H. Le gain d'énergie chimique par la réorganisation des liaisons est l'enthalpie de réaction ΔH.


Variation de l'énergie au cours de la réaction chimique, barrière énergétique et enthalpie de réaction (exemple de la combustion du méthane dans le dioxygène)

L'étude de l'aspect énergétique des réactions chimiques est la thermochimie.

Vitesse de réaction

L'étude de l'énergie du système (thermochimie) permet de savoir si une réaction peut avoir lieu ou pas, quelle énergie initiale il faut fournir pour franchir la barrière. Mais il y a un autre paramètre important : la vitesse de réaction.

Certaines réactions sont très rapides voir violentes, comme les explosions. D'autres sont tellement lentes qu'elles durent plusieurs années, voir plusieurs siècles, comme par exemple la rouille. Certaines sont même tellement lentes que les produits semblent stables, comme par exemple l'oxydation de l'aluminium, on parle d'état "métastable" (la forme stable de l'aluminium est l'oxyde, l'aluminium métallique est métastable).

On parle de cinétique de réaction.

Pour quantifier cette cinétique, on utilise l'avancement α, défini globalement comme la proportion de mélange ayant déjà  réagit (α = 0 en début de réaction, α = 1 lorsque la réaction est complète). On peut ainsi définir la vitesse de réaction comme étant la dérivée de l'avancement par rapport au temps dα/dt.

Certaines réactions sont réversibles, c'est-à -dire que le gain d'énergie est faible et que la réaction inverse est aussi possible. C'est le cas par exemple de la dissociation de l'eau H2O en ion oxonium (ou hydronium) H3O+ et ion hydroxyde OH-. Dans ce cas, le système évolue en général vers un équilibre dynamique, c'est-à -dire que α se stabilise à  une valeur comprise entre 0 et 1 ; le nombre de molécules réagissant dans une sens est compensé par le nombre de molécules réagissant dans l'autre sens.

La cinétique dépend de nombreux facteurs. La plus important est la température, l'énergie thermique permet en effet dans de nombreux cas de franchir la barrière énergétique. Un autre paramètre important est l'état de la matière. De ce point de vue, les réactions les plus favorisées sont les réactions entre les liquides miscibles, et les réactions entre les gaz : en effet, les réactants sont mélangés et peuvent donc facilement s'échanger leurs atomes. Dans tous les autres cas, c'est-à -dire les réactions entre

la réaction ne peut avoir lieu qu'aux points de contact entre les produits. Lorsque les produits sont fractionnés, la réaction est plus rapide, c'est la cas notamment des En effet, dans le cas de la matière fractionnée, la surface de contact entre les réactants est importante, donc les possibilités de réaction nombreuses. Pour les solides, on quantitife ceci par la surface spécifique, qui est la surface libre par unité de masse ; une poudre, un solide poreux ou un mousse (filaments imbriqués) ont une grande surface spécifique. Lorsque les réactants ne sont pas dans le même état (par exemple solide-gaz, solide-liquide, liquide-gaz), on parle de réaction hétérogène.

Exemples de réactions chimiques

Parmi les réactions chimiques les plus courantes, citons :

Voir aussi