CINÉTIQUE CHIMIQUE

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Activation de la transformation chimique

La compréhension du mouvement d'un système mécanique suppose que l'on connaisse la notion de l'énergie potentielle de gravité qu'il possède du fait même qu'il se trouve soumis à l'influence d'un champ de gravité ; un système mécanique statique est souvent métastable ; il devrait évoluer par réduction de son énergie potentielle, c'est-à-dire avec libération possible d'énergie, mais en est empêché par des forces appelées réactions.

En présence d'un système chimique, la première question est de savoir s'il est susceptible d'évolution et sous quelle influence. L'expérience a permis de dégager les lois de la « thermodynamique chimique », dont nous ne retiendrons ici que la conclusion. Il existe une énergie potentielle chimique, que l'on peut calculer pour tout système, et l'évolution chimique spontanée de celui-ci n'est possible que si elle correspond à une diminution de cette énergie, c'est-à-dire à une libération d'énergie. Un système inerte est très rarement stable, mais le plus souvent métastable et peut, si les conditions nécessaires pour provoquer sa transformation sont réunies, évoluer vers l'un des nombreux systèmes chimiques, d'énergie inférieure à la sienne, que l'on peut envisager de former à partir des mêmes atomes.

Le premier but de l'étude cinétique d'un système chimique est d'identifier les moyens de lui faire quitter son état métastable ; ce sont les moyens d'activation.

L'activation thermique

Le moyen le plus direct d'activer un système inerte consiste à le porter à une température plus élevée. On exalte alors les mouvements intramoléculaires et intermoléculaires provoquant ainsi, à partir d'un seuil de température, la transformation chimique du système. C'est le cas par exemple pour le mélange méthane-air, dont la combustion ne commence que lorsque sous l'action d'une allumette on en a porté la température, en un point, à une valeur minimale de l'ordre de 300 0C. La combustion dégage ensuite beaucoup d'énergie ; le système était donc bien métastable. En outre, il n'y a pas de relation simple entre l'énergie dégagée et la température à laquelle on peut amorcer la réaction ; ainsi, la neutralisation d'un acide faible par une base (acide acétique plus soude, par exemple), quoique dégageant beaucoup moins d'énergie, aura lieu à température ambiante.

L'inconvénient majeur de l'activation thermique est qu'un système réactionnel, un tant soit peu complexe, conduira, si on le porte à haute température, à toute espèce de réactions, car presque tous les liens interatomiques seront activés de façon non différenciée. On dit que l'activation thermique n'est pas sélective. En revanche, le fait de porter un système à haute température peut rendre métastable un système stable, car le potentiel chimique varie avec la température, mais de façon différente pour les différents composés chimiques. De ce fait, certaines transformations, celles de l'éthane en éthylène ou acétylène par exemple, ne peuvent être effectuées qu'à haute température.

L'activation chimique

Une autre voie pour activer un système chimique consiste à lui ajouter un ou plusieurs constituants chimiques supplémentaires, qui suffiront à transformer un système inerte en système évolutif. On parlera alors d'activation chimique. S'il suffit d'introduire ces composés en très faible quantité, et si on les retrouve non modifiés après la transformation du système, on dira que ce sont des catalyseurs et que l'on a réalisé une activation catalytique.

La conservation du catalyseur ne signifie pas son inertie ; en fait, le catalyseur intervient pour adsorber ou complexer ou même pour réagir avec une ou plusieurs des espèces chimiques présentes. L'espèce chimique ainsi modifiée réagit avec d'autres constituants du système, mais le catalyseur se trouve ramené à son état initial par un acte chimique, inverse de l'acte d'activation. Le catalyseur est donc modifié et régénéré par un mécanisme cyclique. Suivant leur nature et leurs caractéristiques, les catalyseurs activeront préférentiellement telle ou telle espèce chimique et orienteront sélectivement la transformation du système vers tel ou tel des états thermodynamiquement possibles. Suivant la nature physique, chimique ou l'origine des catalyseurs, on distingue les catalyseurs hétérogènes et les catalyseurs homogènes, catalyseurs acide-base ou catalyseurs par comp [...]

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Wilhelm Ostwald

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  • : Docteur ès sciences, ingénieur en chef des Mines, directeur général de la Compagnie française d'études et onstruction Technip.

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Pour citer l’article

Lucien SAJUS, « CINÉTIQUE CHIMIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/cinetique-chimique/