Pourquoi la chaleur accélère les réactions
Pour réagir, les molécules doivent se heurter avec une énergie au moins égale à l’énergie d’activation Ea. Quand la température augmente, une part plus grande des molécules dispose de cette énergie : les réactions s’accélèrent, souvent de façon spectaculaire. En 1889, Svante Arrhenius a traduit ce phénomène par une loi toujours utilisée en chimie, en biologie, en agroalimentaire et pour les essais de vieillissement.
Les formules
- Loi d’Arrhenius : k = A × exp(−Ea ÷ RT)
- Entre deux températures : k₂ = k₁ × exp(−Ea/R × (1/T₂ − 1/T₁))
- Énergie d’activation : Ea = R × ln(k₂/k₁) ÷ (1/T₁ − 1/T₂)
- Q10 = (k₂/k₁)^(10 ÷ (T₂ − T₁))
Les températures sont en kelvins et R = 8,314 J/(mol·K). Le facteur préexponentiel A s’élimine quand on compare deux températures : il suffit de connaître Ea, ou deux constantes de vitesse mesurées.
Exemple chiffré
Une réaction a une énergie d’activation de 50 kJ/mol et une constante de vitesse de 1 (unité quelconque) à 25 °C. Que devient-elle à 35 °C ?
- T₁ = 298,15 K, T₂ = 308,15 K.
- 1/T₂ − 1/T₁ = −1,088 × 10⁻⁴ K⁻¹.
- k₂ = exp(50 000 ÷ 8,314 × 1,088 × 10⁻⁴) = exp(0,655) = 1,92.
La réaction va presque deux fois plus vite après 10 °C de réchauffement : Q10 = 1,92.
Déterminer Ea expérimentalement
Choisissez le mode « Énergie d’activation » et saisissez deux constantes de vitesse mesurées à deux températures. Avec plus de points, tracez ln k en fonction de 1/T : les points s’alignent sur une droite de pente −Ea/R. C’est une exploitation classique en travaux pratiques de cinétique, par exemple pour la décoloration de l’érythrosine ou l’oxydation des ions iodure.
L’effet de Ea
| Ea (kJ/mol) | Accélération de 25 à 35 °C |
|---|---|
| 20 | × 1,30 |
| 50 | × 1,92 |
| 75 | × 2,67 |
| 100 | × 3,70 |
Plus l’énergie d’activation est élevée, plus la vitesse est sensible à la température.
Applications
- Conservation des aliments : le réfrigérateur et le congélateur ralentissent les réactions de dégradation et la croissance microbienne.
- Stabilité des médicaments : les études de vieillissement accéléré, à 40 °C et 75 % d’humidité selon les lignes directrices ICH, permettent d’estimer la durée de conservation à température ambiante.
- Biologie : l’activité des enzymes et le métabolisme ont souvent un Q10 de 2 à 3, jusqu’à la dénaturation à haute température.
- Batteries : leur vieillissement double à peu près tous les 10 °C, d’où l’intérêt de les garder au frais.
Limites
La loi suppose une énergie d’activation indépendante de la température. Elle ne s’applique plus aux enzymes au-delà de leur température optimale, aux mécanismes à plusieurs étapes concurrentes, ni sur de très grands intervalles de température. Le facteur cinétique température se combine aussi avec la concentration des réactifs et la présence d’un catalyseur.