Terminale · Physique-chimie

Cinétique microscopique et catalyse

Chapitre 5

15 questions originales à réponses multiples pour vérifier les notions, les méthodes et les points de vigilance du chapitre.

Prévois papier et stylo. Plusieurs réponses peuvent être justes. Pour chaque acte, suis les espèces et les charges ; une flèche courbe part toujours d’un doublet ou d’une liaison.

Comment répondre ?

Prévois une feuille et un stylo pour poser tes calculs et rédiger tes étapes. Chaque QCM propose cinq affirmations. Une ou plusieurs réponses peuvent être exactes. Coche-les, vérifie, puis ouvre la correction pour comprendre chaque proposition. Tu obtiens un point seulement si tu coches toutes les bonnes réponses, sans cocher de réponse fausse.

0 question vérifiée sur 15

Question 1

Observation, bilan, mécanisme

On mesure la décroissance de [H₂O₂] et on écrit 2 H₂O₂ ⟶ 2 H₂O + O₂. Aucune étape microscopique n'est fournie. Que permettent ces informations ?

L'équation est un bilan de matière et ne décrit pas tous les actes élémentaires. La seule courbe permet d'identifier sans ambiguïté le mécanisme. La concentration en mol·L⁻¹ est une propriété d'un noyau isolé. Deux molécules de peroxyde doivent se heurter simultanément pour former O₂. La courbe de concentration est une observation macroscopique du suivi.

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Réponse attendue : A, E

A — Vrai. Vrai. Ses coefficients conservent les atomes, mais ils ne précisent ni le nombre ni l'ordre des événements microscopiques.
B — Faux. Faux. Plusieurs mécanismes peuvent produire le même bilan et parfois des courbes compatibles ; il faut d'autres preuves.
C — Faux. Faux. La concentration est définie pour une population d'espèces par unité de volume, et non pour une seule entité.
D — Faux. Faux. Le coefficient 2 appartient au bilan global ; il n'impose pas un choc unique réunissant deux molécules.
E — Vrai. Vrai. Elle regroupe le comportement d'un très grand nombre d'entités au cours du temps, sous le protocole de mesure.

Méthode à retenir. Séparer ce qui est mesuré, ce qui est équilibré et ce qui est proposé comme mécanisme.

Question 2

Fréquence des collisions

Une simulation compte 12 000 rencontres A–B en 60 s, dont 36 produisent l'acte considéré. On conserve le même système et le même intervalle. Quelles valeurs sont correctes ?

Le nombre d'actes efficaces par seconde vaut 0,60 s⁻¹. La fraction efficace vaut 0,0030, sans unité. La vitesse volumique de réaction vaut directement 0,60 mol·L⁻¹·s⁻¹. La fréquence de rencontres vaut 200 s⁻¹. Toutes les rencontres recensées ont produit un acte chimique.

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Réponse attendue : A, B, D

A — Vrai. Vrai. Le comptage des actes productifs donne 36/60=0,60 événement par seconde pour le système simulé.
B — Vrai. Vrai. Le rapport entre actes obtenus et rencontres est 36/12 000=0,0030 ; il ne possède aucune unité.
C — Faux. Faux. Le comptage d'événements n'est pas une quantité de matière par litre ; il manque la conversion et le volume.
D — Vrai. Vrai. Le nombre de chocs divisé par la durée donne 12 000/60=200 rencontres par seconde dans cette simulation.
E — Faux. Faux. Seules 36 des 12 000 rencontres sont efficaces, soit une faible fraction du total.

Méthode à retenir. Distinguer un nombre de chocs, une fraction et une vitesse volumique.

Question 3

Orientation d'un choc

Dans un modèle d'acte A+B ⟶ produits, une rencontre est comptée efficace si et seulement si elle atteint une énergie seuil et si les sites réactifs se font face. Une simulation montre 1000 collisions, dont 200 au-dessus du seuil, puis 20 correctement orientées parmi ces 200. Quelle fraction des collisions est efficace ?

La fraction efficace vaut 0,10 car 20 sur 200 sont orientées. Une collision satisfaisant les deux critères est comptée efficace dans ce modèle. La fraction efficace vaut 0,020. La fraction efficace vaut 0,20 car 200 dépassent le seuil. L'énergie disponible rend l'orientation automatiquement correcte.

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Réponse attendue : B, C

A — Faux. Faux. Le rapport 20/200 décrit l'orientation parmi les chocs énergétiques ; il faut rapporter à 1000 chocs au total.
B — Vrai. Vrai. L'énoncé fixe explicitement les deux conditions comme nécessaires et suffisantes pour le comptage de cette simulation.
C — Vrai. Vrai. Les 20 collisions réunissent les deux conditions ; la fraction sur toutes les rencontres vaut 20/1000=0,020.
D — Faux. Faux. Atteindre l'énergie seuil ne suffit pas : seules 20 de ces 200 collisions ont la bonne orientation.
E — Faux. Faux. Le modèle impose séparément énergie et orientation ; la première condition ne garantit pas la seconde.

Méthode à retenir. Rapporter le nombre satisfaisant toutes les conditions au nombre total de chocs.

Question 4

Changer la température

On chauffe un mélange réactif de 20 °C à 40 °C, sans changer les quantités initiales ni le volume. Le mécanisme proposé comprend une barrière énergétique et exige une orientation convenable. Quelles conclusions restent défendables ?

L'orientation des sites reste une condition possible d'efficacité. Toutes les rencontres franchissent désormais la barrière énergétique. Le bilan global seul permet de calculer la nouvelle fraction efficace. La répartition des énergies de rencontre peut être modifiée. La vitesse est nécessairement exactement doublée parce que la température gagne 20 °C.

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Réponse attendue : A, D

A — Vrai. Vrai. Même une rencontre suffisamment énergétique ne crée pas le bon produit si les sites ne se rencontrent pas correctement.
B — Faux. Faux. Un chauffage fini ne rend pas identiques toutes les énergies de collision ; certaines rencontres demeurent insuffisantes.
C — Faux. Faux. L'équation de bilan ne contient ni distribution des énergies ni détail des orientations microscopiques.
D — Vrai. Vrai. La température agit sur l'agitation et la distribution d'énergie des entités ; elle peut changer la proportion franchissant la barrière.
E — Faux. Faux. Aucune règle universelle ne relie un écart de température à un facteur de vitesse fixe pour toutes les réactions.

Méthode à retenir. Énoncer séparément ce que température, énergie et orientation peuvent modifier.

Question 5

Annuler un intermédiaire

Un mécanisme proposé contient (1) A+B ⟶ I ; (2) I+C ⟶ D+E. Toutes les espèces sont représentées avec leurs coefficients stœchiométriques unitaires. Que donne la somme des actes ?

Le bilan global impose que A et C se heurtent directement. Le bilan global est A+B+C ⟶ D+E. I est nécessairement un catalyseur apporté avant l'acte 1. Le bilan fournit automatiquement l'ordre de vitesse de cette réaction. I est un intermédiaire du mécanisme fourni.

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Réponse attendue : B, E

A — Faux. Faux. A et C sont présents dans le bilan, mais les étapes proposées ne décrivent aucun choc direct entre eux.
B — Vrai. Vrai. En additionnant les deux actes, I apparaît à droite puis à gauche et s'annule exactement.
C — Faux. Faux. I se forme pendant l'acte 1 au lieu d'être une espèce initiale consommée puis régénérée.
D — Faux. Faux. Des coefficients stœchiométriques ne suffisent pas à écrire une loi de vitesse, même si les étapes sont fournies.
E — Vrai. Vrai. L'espèce I naît dans le premier acte, disparaît dans le second et n'est pas dans le bilan final.

Méthode à retenir. Additionner les deux membres de chaque acte et barrer l'espèce qui apparaît des deux côtés.

Question 6

Repérer un catalyseur

Un mécanisme hypothétique annonce (1) A+X ⟶ AX ; (2) AX+B ⟶ AB+X. X est ajouté au départ en petite quantité. Quels rôles sont cohérents avec ces deux actes ?

Le mécanisme fourni prouve qu'aucun autre chemin réactionnel n'existe. X est consommé à l'acte 1 puis régénéré à l'acte 2. AX est un intermédiaire réactionnel. Le bilan net est A+B ⟶ AB. X doit apparaître comme réactif net dans l'équation globale.

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Réponse attendue : B, C, D

A — Faux. Faux. Une succession d'actes proposée peut être compatible avec le bilan sans exclure toutes les autres voies possibles.
B — Vrai. Vrai. X figure parmi les réactifs du premier acte et parmi les produits du second, avec le même coefficient.
C — Vrai. Vrai. AX apparaît dans l'acte 1 puis se consomme dans l'acte 2, sans figurer dans le bilan global.
D — Vrai. Vrai. La somme des actes fait disparaître AX et X des deux membres ; restent A+B et AB.
E — Faux. Faux. Sa régénération annule sa consommation dans la somme des actes ; il ne reste pas au bilan net.

Méthode à retenir. Suivre chaque symbole à travers les actes pour classer intermédiaire et catalyseur.

Question 7

Départ d'une flèche courbe

Dans l'acte proposé HO⁻ + CH₃Br ⟶ CH₃OH + Br⁻, l'ion hydroxyde attaque le carbone et la liaison C–Br se rompt en transférant son doublet au brome. Comment tracer les flèches de doublets ?

La pointe d'une flèche suit la trajectoire géométrique de l'atome O. La première flèche part du carbone vers l'oxygène. Une seconde flèche part de la liaison C–Br vers Br. La liaison C–Br garde son doublet commun dans le produit CH₃OH. Une flèche part d'un doublet libre de l'oxygène vers le carbone.

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Réponse attendue : C, E

A — Faux. Faux. Une flèche courbe décrit le déplacement d'un doublet d'électrons, pas le trajet spatial d'un noyau.
B — Faux. Faux. La queue d'une flèche électronique se place sur le doublet donneur de HO⁻, non sur le site accepteur.
C — Vrai. Vrai. La rupture hétérolytique attribue les deux électrons de la liaison au brome, qui devient Br⁻.
D — Faux. Faux. Le brome part comme ion Br⁻ avec le doublet de la liaison rompue.
E — Vrai. Vrai. L'oxygène de HO⁻ apporte un doublet qui forme la nouvelle liaison C–O vers le carbone électrophile.

Méthode à retenir. Faire partir chaque flèche du doublet ou de la liaison qui fournit les électrons.

Question 8

Acide et base en un acte

Pour l'acte NH₃ + H₃O⁺ ⟶ NH₄⁺ + H₂O, on veut représenter le déplacement des doublets. Que faut-il vérifier ?

Le doublet de la liaison O–H rompue revient sur l'oxygène. La charge totale vaut +1 des deux côtés du bilan. Le doublet libre de N peut être dirigé vers un proton de H₃O⁺. L'oxygène de l'eau obtenue porte encore une charge +1. La flèche de doublet doit partir du proton transféré vers N.

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Réponse attendue : A, B, C

A — Vrai. Vrai. La rupture hétérolytique O–H laisse les électrons sur O, ce qui donne une molécule d'eau neutre.
B — Vrai. Vrai. À gauche H₃O⁺ apporte +1 ; à droite NH₄⁺ porte cette charge, sans créer de charge nette.
C — Vrai. Vrai. Le doublet de l'ammoniac forme la nouvelle liaison N–H ; il va vers le proton cédé par l'acide.
D — Faux. Faux. Après avoir cédé H⁺ et récupéré le doublet O–H, H₂O est électriquement neutre.
E — Faux. Faux. Un proton ne porte aucun doublet électronique disponible ; le donneur de doublet est l'azote de NH₃.

Méthode à retenir. Dessiner simultanément formation N–H, rupture O–H et conservation de charge.

Question 9

Coupure hétérolytique

Une liaison covalente C–Br est rompue hétérolytiquement : le doublet commun devient un doublet du brome. Quels produits chargés résulteraient de cette seule coupure sur un fragment neutre R–Br ?

Le fragment R devient R⁺. La flèche courbe doit aboutir au carbone. Chaque fragment récupère un électron du doublet commun. Le bilan de charge +1−1=0 respecte la neutralité initiale. Le brome devient Br⁻.

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Réponse attendue : A, D, E

A — Vrai. Vrai. Le fragment perd sa part électronique de la liaison C–Br, et la conservation de charge donne R⁺.
B — Faux. Faux. Le brome reçoit les deux électrons selon l'hypothèse ; la pointe de la flèche de rupture doit viser Br.
C — Faux. Faux. Partager un électron chacun caractériserait une coupure homolytique, alors que l'énoncé impose une coupure hétérolytique.
D — Vrai. Vrai. Les deux ions produits ont des charges opposées ; leur somme algébrique reste nulle comme R–Br.
E — Vrai. Vrai. Il récupère les deux électrons de l'ancienne liaison ; l'attribution d'un électron supplémentaire lui confère une charge négative.

Méthode à retenir. Attribuer les deux électrons au même fragment puis vérifier la somme des charges.

Question 10

Polarisation du carbonyle

Dans une liaison C=O d'un composé organique neutre, l'oxygène est plus électronégatif que le carbone. Un ion HO⁻ attaque ce carbonyle dans un mécanisme fourni. Quelles flèches et quelles polarités sont cohérentes ?

La polarisation signifie que le carbone porte nécessairement la charge formelle +1. Un doublet de HO⁻ peut former une liaison vers ce carbone. Le doublet π de C=O peut se déplacer vers l'oxygène. HO⁻ est nucléophile parce que son oxygène est privé de doublets. Le carbone du carbonyle peut être un site électrophile.

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Réponse attendue : B, C, E

A — Faux. Faux. δ+ indique une charge partielle de liaison polarisée ; le carbone n'est pas automatiquement un carbocation formel.
B — Vrai. Vrai. Le nucléophile fournit un doublet libre sur O ; sa flèche va du donneur vers le carbone accepteur.
C — Vrai. Vrai. Lors de l'addition décrite, le carbone ne peut conserver simultanément sa double liaison et accueillir le nouveau doublet.
D — Faux. Faux. L'ion hydroxyde possède des doublets disponibles ; ce sont précisément eux qui peuvent être donnés au site électrophile.
E — Vrai. Vrai. La polarisation C^δ+=O^δ− rend le carbone déficitaire en densité électronique et accessible au nucléophile.

Méthode à retenir. Distinguer une charge partielle d'une charge formelle puis localiser le doublet donneur.

Question 11

Contrôle de charge

Un élève propose l'acte X⁻ + Y⁺ ⟶ XY⁺, sans autre produit ni transfert d'électrons vers l'extérieur. Quel premier contrôle invalide cet acte ?

Une flèche courbe bien dessinée corrigerait automatiquement la charge du bilan écrit. La charge de XY doit être −2 pour conserver la charge. La charge se conserve car les réactifs ont chacun une charge. Il faut uniquement regarder si XY contient autant de lettres que X+Y. La charge totale passe de zéro à +1 sans contrepartie.

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Réponse attendue : E

A — Faux. Faux. Une représentation électronique ne peut rendre cohérente une équation dont les charges globales ne s'équilibrent pas.
B — Faux. Faux. La somme initiale est nulle ; en l'absence d'autre espèce, XY devrait être neutre.
C — Faux. Faux. Il faut additionner les charges algébriquement : elles s'annulent au départ mais pas à l'arrivée.
D — Faux. Faux. Un contrôle de formule ne remplace jamais la vérification de charge, qui échoue déjà dans la proposition.
E — Vrai. Vrai. À gauche −1+1=0 ; à droite XY⁺ porte +1, ce qui viole la conservation de charge annoncée.

Méthode à retenir. Additionner les charges de chaque côté avant d'examiner les flèches.

Question 12

Énergie et catalyse

Pour une transformation donnée, un profil énergétique donne une barrière de 80 kJ·mol⁻¹ sans catalyseur et 45 kJ·mol⁻¹ avec un chemin catalysé. Réactifs et produits finaux sont identiques. Que peut-on affirmer ?

La route catalysée est un mécanisme proposé différent. La différence d'énergie entre réactifs et produits ne change pas par ce seul choix de chemin. Le catalyseur rend automatiquement exothermique une réaction initialement endothermique. La barrière du chemin catalysé est abaissée de 35 kJ·mol⁻¹. La barrière de 45 kJ·mol⁻¹ fixe à elle seule la vitesse numérique.

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Réponse attendue : A, B, D

A — Vrai. Vrai. Deux chemins avec des barrières différentes représentent des successions possibles d'actes différentes entre les mêmes extrémités.
B — Vrai. Vrai. L'état initial et l'état final sont les mêmes ; leur écart énergétique dépend de ces états, non de la route.
C — Faux. Faux. Une autre barrière n'inverse pas l'écart entre états initial et final ; la chaleur de réaction reste liée à ces états.
D — Vrai. Vrai. La différence entre les deux valeurs fournies est 80−45=35 kJ·mol⁻¹ pour les chemins comparés.
E — Faux. Faux. Calculer une vitesse demande aussi température, concentrations et informations cinétiques ; la seule barrière ne suffit pas.

Méthode à retenir. Comparer les chemins sans modifier l'énergie des états de départ et d'arrivée.

Question 13

Bilan et loi de vitesse

Deux équipes observent A+B ⟶ P dans des solvants distincts. L'équipe 1 trouve expérimentalement v=k[A][B] sur son domaine ; l'équipe 2 n'a mesuré qu'un bilan. Quelle proposition est soutenable pour l'équipe 2 ?

Elle connaît nécessairement le même k que l'équipe 1. Elle doit obtenir v=k[A][B] car les coefficients valent chacun 1. Elle sait que la réaction est totale grâce à l'équation. Elle ne peut pas déduire sa loi de vitesse des seuls coefficients du bilan. Elle peut distinguer bilan et loi de vitesse dans son compte rendu.

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Réponse attendue : D, E

A — Faux. Faux. La constante cinétique dépend notamment du milieu et de la température ; le solvant est différent.
B — Faux. Faux. Une loi expérimentale peut dépendre du mécanisme et des conditions ; les coefficients globaux ne la fixent pas.
C — Faux. Faux. Une flèche de bilan utilisée pour écrire les espèces n'établit pas quantitativement l'avancement final.
D — Vrai. Vrai. Une équation globale conserve les espèces, mais ne spécifie pas les étapes ni les ordres cinétiques observés.
E — Vrai. Vrai. L'équipe possède un bilan chimique mais aucune mesure de vitesse ; séparer ces deux informations évite une inférence injustifiée.

Méthode à retenir. Ne pas transformer les coefficients d'un bilan en ordres cinétiques mesurés.

Question 14

Intermédiaire détecté

Dans le suivi de A ⟶ P, une espèce I apparaît tôt, atteint un maximum puis disparaît tandis que P continue d'augmenter. Un mécanisme proposé est A ⟶ I puis I ⟶ P. Quelles conclusions sont prudentes ?

Le profil temporel de I est compatible avec son rôle d'intermédiaire. L'ordre 1 de la réaction est établi par la forme qualitative de I(t). I ne figure pas dans le bilan A ⟶ P obtenu par somme des deux actes. I est un catalyseur ajouté initialement au mélange. La présence de I confirme que le mécanisme proposé est le seul possible.

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Réponse attendue : A, C

A — Vrai. Vrai. I est présent temporairement dans le suivi et le mécanisme le forme puis le consomme avant le produit final.
B — Faux. Faux. Un maximum d'intermédiaire ne suffit pas à fixer une loi de vitesse ou un ordre expérimental.
C — Vrai. Vrai. I apparaît à droite du premier acte et à gauche du second ; il s'annule dans leur somme.
D — Faux. Faux. Dans le chemin fourni, I se forme à partir de A ; il n'est ni ajouté ni régénéré.
E — Faux. Faux. L'observation étaye ce chemin mais d'autres actes ou voies concurrentes peuvent encore être compatibles avec les données.

Méthode à retenir. Confronter le profil observé à la succession d'actes sans prétendre prouver l'unicité.

Question 15

Tester un chemin proposé

Une transformation expérimentale A+B ⟶ C donne un bilan correct. Un schéma d'élève annonce (1) A+B ⟶ I ; (2) I ⟶ C+D. Or aucune espèce D n'est observée ni consommée ailleurs. Que montre l'addition des actes ?

L'espèce I demeure nécessairement dans le bilan global. L'absence d'observation de D suffit à prouver son inexistence absolue. Le schéma proposé a pour bilan A+B ⟶ C+D, différent du bilan annoncé. Il faudrait expliquer le devenir de D ou revoir l'un des actes. La vitesse de réaction est directement donnée par la présence de D.

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Réponse attendue : C, D

A — Faux. Faux. I est formé puis consommé avec le même coefficient ; sa contribution nette est nulle dans la somme.
B — Faux. Faux. Un seuil de détection ou une transformation rapide peut masquer une espèce ; le problème certain est l'incompatibilité des bilans écrits.
C — Vrai. Vrai. I s'annule, mais D demeure parmi les produits ; sa présence supplémentaire empêche de retrouver A+B ⟶ C.
D — Vrai. Vrai. Un mécanisme admissible doit retrouver les espèces du bilan global ; ici D ne peut disparaître sans étape supplémentaire.
E — Faux. Faux. Un symbole produit dans une équation ne fournit aucune valeur de vitesse ni variation temporelle mesurée.

Méthode à retenir. Additionner exactement les actes, puis comparer toutes les espèces au bilan observé.

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