| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Identifier les changements physiques et chimiques, et décrire les différences entre eux |
Réactions chimiques
Chimie IGCSE · Sujet 6
15:53
Vitesses & Équilibre
Le lait sur le comptoir se gâte en un jour. Au réfrigérateur, il dure une semaine. Même lait — mais la réaction s'écoule à une vitesse différente. D'abord, un rapide contrôle : une réaction chimique…
Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés
6.1
Changements physiques et chimiques
Programme
Source : Programme Cambridge International
Un changement physique 物理变化 ne produit pas de nouvelle substance. La substance change seulement d'état ou de forme, et le changement peut généralement être inversé. La fonte de la glace et la dissolution du sucre sont des changements physiques.
Un changement chimique 化学变化 (réaction chimique) produit une ou plusieurs nouvelles substances et est généralement difficile à inverser. Les signes d'un changement chimique incluent un changement de couleur, le dégagement d'un gaz, un changement d'énergie, ou la formation d'un précipité 沉淀 (solide).
| Changement physique | Changement chimique |
|---|---|
| aucune nouvelle substance formée | nouvelle(s) substance(s) formée(s) |
| facile à inverser | généralement difficile à inverser |
| p. ex. fusion, ébullition, dissolution | p. ex. combustion, oxydation |
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Changement physique vs changement chimique
Étapes pour comprendre la différence. Un changement physique ne produit pas de nouvelle substance et est généralement facile à inverser ; un changement chimique produit une nouvelle substance et est difficile à inverser.
6.2
Vitesse de réaction
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 5 Décrire la théorie des collisions en termes de : (a) nombre de particules par unité de volume (b) fréquence des collisions entre particules (c) énergie cinétique des particules (d) énergie d'activation, $E_a$ | |
| 1 Décrire l'effet sur la vitesse de réaction de : (a) changer la concentration des solutions (b) changer la pression des gaz (c) changer la surface des solides (d) changer la température (e) ajouter ou retirer un catalyseur, y compris les enzymes | 6 Décrire et expliquer l'effet sur la vitesse de réaction de : (a) changer la concentration des solutions (b) changer la pression des gaz (c) changer la surface des solides (d) changer la température (e) ajouter ou retirer un catalyseur, y compris les enzymes, en utilisant la théorie des collisions |
| 2 Affirmer qu'un catalyseur augmente la vitesse d'une réaction et reste inchangé à la fin d'une réaction | 7 Affirmer qu'un catalyseur diminue l'énergie d'activation, $E_a$, d'une réaction |
| 3 Décrire les méthodes pratiques pour explorer la vitesse d'une réaction, y compris le changement de masse d'un réactif ou d'un produit et la formation d'un gaz | 8 Évaluer les méthodes pratiques pour explorer la vitesse d'une réaction, y compris le changement de masse d'un réactif ou d'un produit et la formation d'un gaz |
| 4 Interpréter des données, y compris des graphiques, issues d'expériences sur la vitesse de réaction |
Source : Programme Cambridge International
La vitesse de réaction 反应速率 indique à quelle vitesse les réactifs 反应物 se transforment en produits 生成物.
Théorie des collisions
Théorie des collisions 碰撞理论 explique ce qui contrôle la vitesse. Pour qu'une réaction ait lieu, les particules 粒子 doivent entrer en collision 碰撞, et elles doivent entrer en collision avec suffisamment d'énergie. L'énergie minimale nécessaire est l'énergie d'activation 活化能 ($E_a$). Une vitesse plus rapide survient lorsque les particules ont des collisions efficaces plus souvent.
Ce qui modifie la vitesse
| Changement | Effet | Raison (théorie des collisions) |
|---|---|---|
| augmentation de la concentration 浓度 d'une solution | plus rapide | plus de particules dans le même volume, donc les collisions se produisent plus souvent |
| augmentation de la pression 压强 des gaz | plus rapide | les particules sont poussées plus près, donc les collisions se produisent plus souvent |
| augmentation de la surface 表面积 d'un solide | plus rapide | plus de particules sont exposées, donc les collisions se produisent plus souvent |
| augmentation de la température | plus rapide | les particules gagnent de l'énergie cinétique 动能 et se déplacent plus vite, donc les collisions sont plus fréquentes et davantage d'entre elles ont assez d'énergie |
| ajouter un catalyseur 催化剂 | plus rapide | le catalyseur abaisse l'énergie d'activation, donc davantage de collisions sont efficaces |
Catalyseurs
Un catalyseur accélère une réaction sans être consommé — il reste inchangé à la fin. Il agit en abaissant l'énergie d'activation. Les enzymes 酶 sont des catalyseurs biologiques (catalyseurs fonctionnant dans les êtres vivants).
Mesurer la vitesse
Vous pouvez suivre une réaction au cours du temps de ces façons :
- Changement de masse : placer le ballon sur une balance. Si un gaz s'échappe, la masse diminue. Enregistrer la masse à intervalles réguliers.
- Volume de gaz : collecter le gaz dans une seringue 注射器 gazeuse et lire son volume à intervalles réguliers.
- Formation d'un précipité : dans une réaction qui devient trouble, chronométrer le temps nécessaire pour qu'une marque sous le ballon disparaisse.
Sur un graphique du produit en fonction du temps, la ligne est la plus raide au début (vitesse maximale), devient moins raide au fur et à mesure que les réactifs sont consommés, et devient plate lorsque la réaction est terminée.
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Vitesse à partir d'un graphique de volume de gaz
La pente de la courbe volume–temps représente la vitesse ; elle est la plus raide au début et s'aplatit lorsque les réactifs s'épuisent.
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Vitesse de réaction
conc = c₀·bᵗ
La concentration diminue avec le temps — rapidement au début, puis plus lentement.
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Théorie des collisions en action
Observez les particules en collision. La chaleur accélère leurs mouvements, provoquant des collisions plus fréquentes et plus énergiques ; plus de particules ou un catalyseur augmentent le nombre de collisions efficaces — la vitesse augmente.
Vocabulaire
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| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| physical change/ˈfɪzɪkl tʃeɪndʒ/ | 物理变化 | wù lǐ biàn huà |
| chemical change/ˈkemɪkl tʃeɪndʒ/ | 化学变化 | huà xué biàn huà |
| precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ | 沉淀 | chén diàn |
| rate of reaction/reɪt ɒv rɪˈækʃn/ | 反应速率 | fǎn yìng sù lǜ |
| reactants/rɪˈæktənts/ | 反应物 | fǎn yìng wù |
| products/ˈprɒdʌkts/ | 生成物 | shēng chéng wù |
| collision theory/kəˈlɪʒn ˈθɪəri/ | 碰撞理论 | pèng zhuàng lǐ lùn |
| particles/ˈpɑːtɪklz/ | 粒子 | lì zi |
| collide/kəˈlaɪd/ | 碰撞 | pèng zhuàng |
| activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ | 活化能 | huó huà néng |
| concentration/ˌkɒnsənˈtreɪʃn/ | 浓度 | nóng dù |
| pressure/ˈpreʃə/ | 压强 | yā qiáng |
| surface area/ˈsɜːfɪs ˈeərɪə/ | 表面积 | biǎo miàn jī |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | 动能 | dòng néng |
| catalyst/ˈkætəlɪst/ | 催化剂 | cuī huà jì |
| enzymes/ˈenzaɪmz/ | 酶 | méi |
| syringe/sɪˈrɪndʒ/ | 注射器 | zhù shè qì |
| reversible reaction/rɪˈvɜːsɪbl rɪˈækʃn/ | 可逆反应 | kě nì fǎn yìng |
| hydrated/haɪˈdreɪtɪd/ | 水合 | shuǐ hé |
| anhydrous/ænˈhaɪdrəs/ | 无水 | wú shuǐ |
| closed system/kləʊzd ˈsɪstəm/ | 密闭系统 | mì bì xì tǒng |
6.3
Réactions réversibles et équilibre
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Indiquer que certaines réactions chimiques sont réversibles comme le montre le symbole $\rightleftharpoons$ | 3 Indiquer qu'une réaction réversible dans un système fermé est à l'équilibre lorsque : (a) la vitesse de la réaction directe est égale à la vitesse de la réaction inverse (b) les concentrations des réactifs et des produits ne changent plus |
| 2 Décrire comment le changement de conditions peut modifier la direction d'une réaction réversible pour : (a) l'effet de la chaleur sur les composés hydratés (b) l'ajout d'eau aux composés anhydres limité au sulfate de cuivre(II) et au chlorure de cobalt(II) | 4 Prédire et expliquer, pour une réaction réversible, comment la position de l'équilibre est affectée par : (a) changer la température (b) changer la pression (c) changer la concentration (d) utiliser un catalyseur, en utilisant les informations fournies |
| 5 Écrire l'équation symbolique pour la production d'ammoniac dans le procédé Haber, $\text{N}_2\text{(g)} + 3\text{H}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{NH}_3\text{(g)}$ | |
| 6 Énumérer les sources d'hydrogène (méthane) et d'azote (air) dans le procédé Haber | |
| 7 Énumérer les conditions typiques du procédé Haber comme $450\text{ }^{\circ}\text{C}$, $20\,000\text{ kPa}/200\text{ atm}$ et un catalyseur de fer | |
| 8 Écrire l'équation symbolique pour la conversion du dioxyde de soufre en trioxide de soufre dans le procédé Contact, $2\text{SO}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightleftharpoons 2\text{SO}_3\text{(g)}$ | |
| 9 Énumérer les sources du dioxyde de soufre (combustion du soufre ou grillage de minerais sulfures) et de l'oxygène (air) dans le procédé Contact | |
| 10 Énumérer les conditions typiques pour la conversion du dioxyde de soufre en trioxide de soufre dans le procédé Contact comme $450\text{ }^{\circ}\text{C}$, $200\text{ kPa}/2\text{ atm}$ et un catalyseur d'oxyde de vanadium(V) | |
| 11 Expliquer, en termes de vitesse de réaction et de position de l'équilibre, pourquoi les conditions typiques énoncées sont utilisées dans le procédé Haber et le procédé Contact, y compris les considérations de sécurité et d'économie |
Source : Programme Cambridge International
Certaines réactions sont réversibles 可逆反应 : les produits peuvent réagir pour reformer les réactifs. Nous l'indiquons avec le symbole $\rightleftharpoons$.
Changer la direction
Un exemple clair utilise des composés hydratés 水合 et anhydres 无水 :
- Le sulfate de cuivre(II) hydraté bleu, lorsqu'il est chauffé, perd son eau pour devenir du sulfate de cuivre(II) anhydre blanc. L'ajout d'eau le redevient bleu.
- Le chlorure de cobalt(II) hydraté rose perd son eau lorsqu'il est chauffé pour devenir du chlorure de cobalt(II) anhydre bleu. L'ajout d'eau le redevient rose.
L'ajout d'eau au solide anhydre (et voir la couleur revenir) est utilisé comme test pour l'eau.
Équilibre
Dans un système fermé 密闭系统 (où rien n'entre ni ne sort), une réaction réversible atteint l'équilibre 平衡 lorsque :
- la vitesse de la réaction directe 正反应 est égale à la vitesse de la réaction inverse 逆反应, et
- les concentrations des réactifs et des produits ne changent plus.
Changer la position de l'équilibre
La position de l'équilibre 平衡位置 vous indique s'il y a plus de réactifs ou plus de produits. Vous pouvez la déplacer :
- Température : chauffer déplace l'équilibre dans le sens qui absorbe la chaleur (direction endothermique 吸热反应) ; refroidir le déplace dans le sens qui libère de la chaleur (direction exothermique 放热反应).
- Pression (gaz) : une pression plus élevée déplace l'équilibre vers le côté ayant moins de molécules gazeuses.
- Concentration : ajouter plus d'une substance déplace l'équilibre vers l'autre côté pour la consommer.
- Un catalyseur ne déplace pas la position de l'équilibre. Il aide uniquement la réaction à atteindre l'équilibre plus rapidement.
Procédé Haber
Le procédé Haber 哈伯法 produit de l'ammoniac :
$$\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g)$$
- Le hydrogène 氢气 provient du méthane 甲烷 (gaz naturel) ; l'azote 氮气 provient de l'air.
- Conditions typiques : une température de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, une pression d'environ $200$ atm ($20\,000$ kPa), et un catalyseur à base d'fer 铁.
Procédé Contact
Le procédé Contact 接触法 transforme le dioxyde de soufre en trioxide de soufre :
$$2\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{SO}_3(g)$$
- Le dioxyde de soufre provient de la combustion du soufre 硫 (ou du grillage des sulfures) ; l'oxygène 氧气 provient de l'air.
- Conditions typiques : une température de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, une pression d'environ $2$ atm ($200$ kPa), et un catalyseur à base d'oxyde de vanadium(V) 五氧化二钒.
Pourquoi ces conditions sont choisies
Les conditions constituent un compromis 折中 :
- Une pression plus élevée donnerait plus de produit, mais une très haute pression est dangereuse et coûteuse, donc on utilise une pression moyenne.
- Une température plus basse donnerait plus de produit (les deux réactions directes sont exothermiques), mais la réaction serait trop lente, donc on utilise une température plutôt élevée pour maintenir une bonne vitesse.
- Le catalyseur accélère la réaction sans changer la position de l'équilibre, ce qui réduit les coûts.
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Déplacement d'un équilibre
Modifiez la température, la pression ou la concentration et observez une réaction réversible qui se déplace vers un nouvel équilibre.
Vocabulaire
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| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | 平衡 | píng héng |
| forward reaction/ˈfɔːwəd rɪˈækʃn/ | 正反应 | zhèng fǎn yìng |
| reverse reaction/rɪˈvɜːs rɪˈækʃn/ | 逆反应 | nì fǎn yìng |
| position of equilibrium/pəˈzɪʃn ɒv ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | 平衡位置 | píng héng wèi zhì |
| endothermic/ˌendəʊˈθɜːmɪk/ | 吸热反应 | xī rè fǎn yìng |
| exothermic/eɡzəˈðɜːmɪk/ | 放热反应 | fàng rè fǎn yìng |
| Haber process/ˈheɪbə ˈprəʊses/ | 哈伯法 | hā bó fǎ |
| hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ | 氢气 | qīng qì |
| methane/ˈmiːθeɪn/ | 甲烷 | jiǎ wán |
| nitrogen/ˈnaɪtrədʒn/ | 氮气 | dàn qì |
| iron/ˈaɪən/ | 铁 | tiě |
| Contact process/ˈkɒntækt ˈprəʊses/ | 接触法 | jiē chù fǎ |
| sulfur/ˈsʌlfɜː/ | 硫 | liú |
| oxygen/ˈɒksɪdʒn/ | 氧气 | yǎng qì |
| vanadium(V) oxide/væˈneɪdɪəm ˈɒksaɪd/ | 五氧化二钒 | wǔ yǎng huà èr fán |
| compromise/ˈkɒmprəmaɪz/ | 折中 | zhé zhōng |
6.4
Oxydoréduction
Programme
| Fondamental | Supplémentaire |
|---|---|
| 1 Utiliser un chiffre romain pour indiquer le numéro d'oxydation d'un élément dans un composé | |
| 2 Définir les réactions d'oxydoréduction comme impliquant simultanément l'oxydation et la réduction | |
| 3 Définir l'oxydation comme un gain d'oxygène et la réduction comme une perte d'oxygène | 6 Définir l'oxydation en termes de : (a) perte d'électrons (b) augmentation du numéro d'oxydation |
| 7 Définir la réduction en termes de : (a) gain d'électrons (b) diminution du numéro d'oxydation | |
| 4 Identifier les réactions d'oxydoréduction comme des réactions impliquant un gain et une perte d'oxygène | 8 Identifier les réactions d'oxydoréduction comme des réactions impliquant un gain et une perte d'électrons |
| 5 Identifier l'oxydation et la réduction dans les réactions d'oxydoréduction | 9 Identifier les réactions d'oxydoréduction par les changements de numéro d'oxydation en utilisant : (a) le numéro d'oxydation des éléments à l'état libre est zéro (b) le numéro d'oxydation d'un ion monoatomique est égal à la charge de l'ion (c) la somme des numéros d'oxydation dans un composé est zéro (d) la somme des numéros d'oxydation dans un ion est égale à la charge de l'ion |
| 10 Identifier les réactions d'oxydoréduction par les changements de couleur impliqués en utilisant du permanganate de potassium aqueux acidifié ou de l'iodure de potassium aqueux | |
| 11 Définir un agent oxydant comme une substance qui oxyde une autre substance et est elle-même réduite | |
| 12 Définir un agent réducteur comme une substance qui réduit une autre substance et est elle-même oxydée | |
| 13 Identifier les agents oxydants et réducteurs dans les réactions d'oxydoréduction |
Source : Programme Cambridge International
Oxydation 氧化 et réduction 还原 se produisent toujours simultanément, dans ce qu'on appelle une réaction d'oxydoréduction 氧化还原反应. ('Redox' est l'abréviation de réduction-oxydation.)
Il existe trois façons de décrire l'oxydation et la réduction :
- Oxygène : l'oxydation est le gain d'oxygène ; la réduction est la perte d'oxygène.
- Électrons 电子 : l'oxydation est la perte d'électrons ; la réduction est le gain d'électrons.
- Numéro d'oxydation 氧化数 : dans l'oxydation, le numéro d'oxydation augmente ; dans la réduction, il diminue.
Un moyen mnémotechnique utile est OIL RIG : Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain — d'électrons.
Règles du numéro d'oxydation
Le numéro d'oxydation est indiqué par un chiffre romain, comme dans le fer(II) et le fer(III). Les règles sont :
- Un élément non combiné a un numéro d'oxydation de $0$.
- Un ion monoatomique a un numéro d'oxydation égal à sa charge (donc $\text{Na}^{+}$ est $+1$).
- Les numéros d'oxydation dans un composé s'additionnent pour faire $0$.
- Les numéros d'oxydation dans un ion s'additionnent pour faire la charge de l'ion.
Exemple résolu. Trouver le numéro d'oxydation du manganèse dans l'ion manganate(VII), $\text{MnO}_4^{-}$. Chaque oxygène est $-2$, et il y en a quatre, donnant $4 \times (-2) = -8$. Les numéros d'oxydation dans un ion doivent s'additionner pour faire la charge de l'ion, qui ici est $-1$. Donc si le manganèse est $x$, alors $x + (-8) = -1$, donnant $x = +7$ - exactement ce que le (VII) dans le nom vous dit. Poser le total égal à la charge de l'ion, pas à zéro : zéro est uniquement pour un composé neutre.
Agents oxydants et réducteurs
- Un agent oxydant 氧化剂 oxyde une autre substance, et est lui-même réduit.
- Un agent réducteur 还原剂 réduit une autre substance, et est lui-même oxydé.
Certaines réactions d'oxydoréduction montrent des changements de couleur nets :
- Le permanganate de potassium acidifié 高锰酸钾 est violet. Lorsqu'il agit comme agent oxydant, il est réduit, et la couleur violette s'estompe jusqu'à devenir incolore.
- L'iodure de potassium 碘化钾 est incolore. Lorsqu'il est oxydé, de l'iode 碘 rouge-brun est formé.
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L'oxydation et la réduction se produisent ensemble
Étapes d'une réaction redox. Une substance perd des électrons tandis qu'une autre les gagne — on ne peut jamais avoir l'une sans l'autre.
Vocabulaire
Entrainer
| Anglais | Chinois | Pinyin |
|---|---|---|
| oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ | 氧化 | yǎng huà |
| reduction/rɪˈdʌkʃn/ | 还原 | huán yuán |
| redox reaction/rɪˈdɒks rɪˈækʃn/ | 氧化还原反应 | yǎng huà huán yuán fǎn yìng |
| electrons/ɪˈlektrɒnz/ | 电子 | diàn zi |
| oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ | 氧化数 | yǎng huà shù |
| oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ | 氧化剂 | yǎng huà jì |
| reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ | 还原剂 | huán yuán jì |
| potassium manganate(VII)/pəˈtæsɪəm ˈmæŋɡəneɪt/ | 高锰酸钾 | gāo měng suān jiǎ |
| potassium iodide/pəˈtæsɪəm ˈaɪədaɪd/ | 碘化钾 | diǎn huà jiǎ |
| iodine/ˈaɪədiːn/ | 碘 | diǎn |
6.4
Conseils d'examen
- Expliquez un taux de réaction plus rapide avec la théorie des collisions : les collisions efficaces se produisent plus souvent. La concentration, la pression et la surface de contact augmentent toutes la fréquence des collisions entre particules ; une température plus élevée fait cela et fournit à davantage de particules l'énergie nécessaire.
- Un catalyseur abaisse l'énergie d'activation et accélère la réaction, mais n'est pas consommé et ne modifie pas $\Delta H$ ni la position de l'équilibre.
- À l'équilibre, les vitesses des réactions directe et inverse sont égales et les concentrations cessent de varier — cela ne signifie pas que les quantités de réactifs et de produits sont égales.
- Utilisez le principe de Le Chatelier : augmenter la température favorise le sens endothermique ; augmenter la pression favorise le côté ayant le moins de molécules gazeuses ; ajouter une substance déplace l'équilibre dans le sens opposé.
- Oxydoréduction — OIL RIG : L'Oxydation est une Perte, la Réduction est un Gain d'électrons. Elles se produisent toujours ensemble, et un agent oxydant est lui-même réduit.
Leçons interactives sur ce sujet
Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.