Cinétique chimique
La cinétique chimique étudie la vitesse à laquelle les réactions se déroulent et les raisons de cette vitesse, en reliant les vitesses mesurées à la séquence des étapes moléculaires et aux barrières énergétiques qui les contrôlent.
Definition
La cinétique chimique est la branche de la chimie physique qui s'intéresse aux vitesses des réactions chimiques, aux facteurs qui les influencent et aux mécanismes moléculaires par lesquels les réactifs sont convertis en produits.
Scope
Ce domaine couvre la mesure et l'interprétation des vitesses de réaction : les lois de vitesse empiriques et les ordres de réaction ; les équations de vitesse intégrées et les temps de demi-vie ; l'élucidation des mécanismes de réaction à partir des étapes élémentaires en utilisant les approximations de l'état quasi stationnaire et du pré-équilibre ; la dépendance de la température des vitesses via l'équation d'Arrhenius ; et les cadres théoriques de la théorie des collisions et de la théorie de l'état de transition. La catalyse et son effet sur les vitesses sont inclus, tandis que la dynamique quantique détaillée des collisions individuelles et la position d'équilibre thermodynamique sont traitées dans des domaines connexes.
Sub-topics
Core questions
- Comment les lois de vitesse et les ordres de réaction sont-ils déterminés expérimentalement ?
- Comment une séquence d'étapes élémentaires peut-elle être reconstruite à partir d'une loi de vitesse observée ?
- Pourquoi la vitesse de réaction dépend-elle si fortement de la température ?
- Comment la théorie des collisions et la théorie de l'état de transition expliquent-elles les constantes de vitesse absolues ?
Key concepts
- Lois de vitesse et ordre de réaction
- Équations de vitesse intégrées et temps de demi-vie
- Mécanisme de réaction et étape déterminante de la vitesse
- Équation d'Arrhenius et énergie d'activation
- Catalyse
Key theories
- Théorie de l'état de transition
- La vitesse de réaction est calculée à partir de la population d'un complexe activé en quasi-équilibre avec les réactifs au sommet de la barrière énergétique, multipliée par la vitesse à laquelle ce complexe se décompose en produits.
- Dépendance de la température selon Arrhenius
- Les constantes de vitesse augmentent avec la température selon une dépendance exponentielle de l'énergie d'activation, reflétant la fraction des collisions suffisamment énergétiques pour franchir la barrière de réaction.
Clinical relevance
La cinétique chimique est à la base de la conception et du contrôle des réacteurs industriels, de la formulation des catalyseurs, de la stabilité et de la durée de conservation des produits pharmaceutiques et alimentaires, de la modélisation de la chimie atmosphérique et de la combustion, ainsi que de l'analyse quantitative de l'action enzymatique en biochimie.
History
La cinétique a émergé des études de vitesse du XIXe siècle menées par Wilhelmy, Guldberg et Waage ; Arrhenius a proposé son équation d'énergie d'activation en 1889, et les années 1930 ont vu l'apparition de la théorie des vitesses absolues d'Eyring et d'Evans et Polanyi, reformulant la cinétique en termes de mécanique statistique et de surfaces d'énergie potentielle.
Key figures
- Svante Arrhenius
- Henry Eyring
- Cyril Norman Hinshelwood
Related topics
Seminal works
- eyring1935
- atkins2018
- laidler1987
Frequently asked questions
- Pourquoi une équation chimique équilibrée ne donne-t-elle pas la loi de vitesse ?
- La stœchiométrie décrit la conversion globale mais pas le chemin moléculaire ; la loi de vitesse reflète l'étape élémentaire la plus lente et les espèces impliquées jusqu'à celle-ci, elle doit donc être déterminée expérimentalement plutôt que déduite de l'équation globale.
- Si une réaction est thermodynamiquement favorable, pourquoi pourrait-elle ne pas se produire ?
- La thermodynamique détermine seulement si une réaction peut avoir lieu, pas sa vitesse ; une barrière d'activation élevée peut rendre une réaction favorable d'une lenteur incommensurable, c'est pourquoi le diamant persiste bien que le graphite soit la forme de carbone la plus stable.