Profil énergétique

Le profil énergétique d'une réaction

Une réaction chimique implique un transfert d'énergie lorsque les réactifs sont transformés en produits. Nous illustrons cette idée à l'aide d'un diagramme de profil énergétique.

Un système veut toujours être le plus stable et le moins énergivore possible, c'est pourquoi les espèces à énergie potentielle élevée sont très réactives et instables. Une autre façon de voir les choses est que l'énergie potentielle est la quantité d'énergie nécessaire pour maintenir une molécule ensemble. Au fur et à mesure que nous avançons sur le chemin de la réaction, il y a toujours une "colline" que nous devons franchir, appelée énergie d'activation.

Même lorsque les réactifs ont une énergie plus élevée, il y a toujours une pente à franchir. En effet, il faut de l'énergie pour rompre les liaisons chimiques. La création de liaisons est ce qui libère de l'énergie. Pour cette raison, la forme d'un diagramme énergétique sera toujours une colline, mais la "pente" de la colline et la longueur de la partie "descendante" dépendent de l'énergie des réactifs et des produits. Dans cet article, nous allons examiner les différents types de diagrammes énergétiques et apprendre à les interpréter.

Diagramme du profil énergétique pour une réaction exothermique et endothermique

Un profil énergétique montre comment l'énergie d'un système change au fur et à mesure que la réaction progresse. Il est synonyme de diagramme d'énergie/de profil énergétique.

Comme indiqué précédemment, le diagramme du profil énergétique suit le changement de l'énergie potentielle. L'axe des y est l'énergie potentielle et l'axe des x est la coordonnée de la réaction/la progression de la réaction. Cela représente la progression de la réaction, des réactifs aux produits. Les réactifs sont indiqués à gauche et les produits à droite. Pour y voir plus clair, nous allons passer en revue les différents types de diagrammes énergétiques.

En regardant un diagramme énergétique, nous pouvons déterminer si une réaction est exothermique ou endothermique.

Les diagrammes de ces types de réactions sont présentés ci-dessous :

Dans une réaction exothermique (à gauche), l'énergie d'activation de laréaction est plus faible car le système passe à un état plus stable.Dans une réaction endothermique (à droite), il faut plus d'énergie car le système passe à un état moins stable.StudySmarter Original

Décomposons les différents éléments ici. Le premier est l'énergie d'activation (_EA). La "colline" est beaucoup plus élevée pour une réaction endothermique puisque cette réaction est thermodynamiquement défavorisée (c'est-à-dire que le système devient moins stable), alors qu'elle est beaucoup plus faible pour la réaction exothermique thermodynamiquement favorisée. L'énergie d'activation est mesurée à partir du niveau d'énergie des réactifs jusqu'au "pic" de la courbe.

La deuxième pièce est la différence d'énergie potentielle (ΔE). Si ΔE>0, la réaction est endothermique puisque l'énergie potentielle du système augmente, tandis qu'un ΔE négatif est exothermique pour la raison inverse. Nous mesurons ce changement où_Einitial est l'énergie des réactifs et _Efinal est l'énergie des produits.

La différence d'énergie entre les réactions peut également être représentée par un changement d'enthalpie (ΔH) . L'enthalpie est la partie de l'énergie potentielle qui peut être convertie en énergie thermique. Les signes pour le changement d'enthalpie sont les mêmes que pour le changement d'énergie potentielle. Cela est également logique, puisqu'une réaction exothermique (qui signifie littéralement "chaleur extérieure") libère de la chaleur, donc son énergie thermique diminue (ΔH < 0). En revanche, une réaction endothermique ("chaleur intérieure") gagne de la chaleur, donc son énergie thermique augmente (ΔH > 0). La dernière section importante est l'état de transition.

$$[XY-Z]$$

Puis ,

$$XY + Z \rightarrow [XY-Z] \rightarrow XZ + Y$$

La réaction est en train de grimper cette colline afin que les réactifs puissent réagir pour produire des produits. Ce "pic" correspond au moment où ils ont finalement obtenu assez d'énergie pour provoquer une réaction. L'énergie diminue ensuite parce que c'est le moment où les liaisons se forment, ce qui libère de l'énergie. L'énergie diminue également parce que l'état de transition se sépare en produits.

Profil énergétique du catalyseur

Un autre type de profil énergétique est celui des réactions avec un catalyseur.

Un catalyseur accélère une réaction en abaissant l'énergie d'activation nécessaire pour que la réaction se produise. Pour ce faire, il fournit à la réaction une autre voie de réaction (c'est-à-dire que les réactifs réagissent avec le catalyseur pour obtenir les mêmes produits). L'énergie des réactifs et des produits ne change pas, c'est l'énergie de la voie qui change.

Un autre exemple de catalyseur est l'enzyme. Une enzyme est un catalyseur biologique qui fonctionne légèrement différemment des autres catalyseurs. Les enzymes se lient au réactif (appelé substrat), ce qui forme un complexe enzyme-substrat, qui constitue notre état de transition. Après la liaison, l'enzyme libère un nouveau produit et l'enzyme reste inchangée. Une enzyme est comme un moule dans lequel notre substrat (pense à un morceau d'argile) est placé, de sorte que lorsqu'il est retiré du moule, il est devenu quelque chose de nouveau. Comme les autres catalyseurs, les enzymes réduisent l'énergie d'activation en fournissant une autre voie de réaction.

Diagramme du profil énergétique pour la décomposition du peroxyde d'hydrogène

Pour avoir une meilleure idée d'une réaction catalysée, examinons la décomposition du peroxyde d'hydrogène.

Les catalyseurs de la réaction créent une voie alternative pour que l'énergie d'activation soit plus faible. StudySmarter Original

Les deux choses que tu remarqueras dans le diagramme de la réaction catalysée sont qu'il y a deux bosses au lieu d'une, et que deux espèces supplémentaires sont présentes (les ions Br et H). Les deux bosses signifient qu'il y a une étape supplémentaire dans la réaction. Les catalyseurs peuvent réduire l'énergie d'activation en fournissant une voie alternative. C'est comme si tu faisais un détour pour arriver plus vite à ta destination. Deux catalyseurs sont présents dans ce mécanisme de réaction : les ions Br et H. Ces ions réagissent avec le réactif initial. Ces ions réagissent avec le réactif initial (le peroxyde d'hydrogène) pour obtenir les mêmes produits que sans les catalyseurs. Comme lorsque tu fais un détour, l'endroit que tu quittes et ta destination ne changent pas, mais ton itinéraire, lui, change.

Diagramme du profil énergétique pour les réactions en plusieurs étapes

Le dernier type de profil énergétique que nous allons aborder concerne les réactions en plusieurs étapes. Il s'agit de réactions qui, comme le suggère le même schéma, comportent plusieurs étapes qui se déroulent dans l'ordre. C'est un peu comme si tu faisais tomber des dominos : Quand l'un tombe, l'autre est renversé. La réaction catalytique que nous avons vue précédemment est un exemple de réaction à plusieurs étapes.

Examinons un autre mécanisme de réaction en plusieurs étapes :

$$NO + NO \rightarrow N_2O_2$$ $$N_2O_2 + H_2 \rightarrow H_2O + N_2O$$ $$N_2O + H_2 \rightarrow N_2 + H_2O$$ $$text{Net reaction:}\,2NO + 2H_2 \rightarrow N_2 + 2H_2O$$.

Les espèces comme _N2O2 et _N2O sont appelées intermédiaires. Ce sont des espèces qui sont à la fois formées et consommées au cours du mécanisme de réaction, elles n'apparaissent donc pas dans la réaction nette. Ils sont différents des états de transition, car les états de transition sont la période intermédiaire au cours d'une seule réaction, tandis que les intermédiaires sont les produits réels pour cette étape intermédiaire respective. Examinons le diagramme énergétique de ce mécanisme :

Chaque étape a sa propre énergie d'activation, la plus grande énergie d'activation est celle qui dicte l'énergie d'activation pour l'ensemble de la réaction. StudySmarter Original

Chaque étape a sa propre énergie d'activation et son propre état de transition. Les creux dans la courbe montrent où un produit a été formé et est étiqueté. La vitesse globale de la réaction dépend de l'étape ayant l'énergie d'activation la plus importante (ici, il s'agit de l'étape 2). Cette étape est appelée étape de détermination de la vitesse. Imagine la réaction comme le flux de la circulation : elle ne peut aller plus vite que la voiture la plus lente qui la précède, même si les voitures qui la précèdent peuvent aller plus vite.