Les bases de la cinétique chimique : Tout ce que vous devez savoir

Même notre planète - et toutes les créatures qui s'y trouvent - sont des usines biochimiques. La cinétique et la thermodynamique chimiques permettent donc de déterminer si un produit est biocompatible et non polluant.

Afin d'aider les ingénieurs à concevoir des produits pour les consommateurs d'aujourd'hui, voici un rappel de chimie sur les processus qui produisent, alimentent et vieillissent les conceptions.

Qu'est-ce que la cinétique chimique ?

La cinétique chimique nous renseigne sur la vitesse à laquelle les espèces chimiques se transforment en nouvelles substances en brisant et en reformant leurs liaisons moléculaires. En d'autres termes, elle étudie les taux et les processus des réactions chimiques.

La cinétique chimique étudie la vitesse des réactions tandis que la thermodynamique
étudie si la réaction va se produire et dans quelle direction

Il convient de noter que la cinétique chimique diffère de la thermodynamique de la chimie. La cinétique détermine comment et à quelle vitesse on y arrive, tandis que la thermodynamique détermine la direction dans laquelle on va et où on finit par arriver.

Pensez-y de cette façon : si les produits chimiques sont en équilibre thermodynamique, il n'y aura pas de réaction, même si la cinétique indique qu'il existe des voies de réaction.

Qu'est-ce que l'énergie libre de Gibbs ou l'énergie potentielle chimique ?

Si l'énergie potentielle des produits est supérieure à celle des réactifs, il existe une barrière pour que cette réaction ait lieu. Si l'énergie potentielle des produits est inférieure à celle des réactifs, la réaction aura lieu.

Tout comme la pomme qui tombe de l'arbre, la nature veut déplacer la réaction vers un point qui minimise l'énergie potentielle.

Par conséquent, si un ingénieur voulait pousser une réaction d'équilibre à produire un certain produit, il pourrait manipuler le potentiel chimique de son mélange chimique en modifiant la température, la pression et les concentrations des espèces.

Qu'est-ce qu'une loi de taux et comment se rapporte-t-elle à l'ordre de la réaction ?

L'ordre de réaction fait référence au nombre d'espèces chimiques impliquées en tant que réactifs.

Les réactions uni moléculaires, où une molécule se désagrège, ont un ordre de réaction de un. Les réactions qui nécessitent la collision de deux molécules/atomes ont un ordre de deux et ainsi de suite.

Pour les réactions non élémentaires (souvent appelées "globales"), l'ordre de réaction peut être déterminé de manière empirique.

zA + yB + ... + aZ = Produits

Taux = k ∙ [A]z ∙ [B]y ∙ ... ∙ [Z]a

La vitesse de réaction dépend de une constante (k), des concentrations des réactifs ([A], [B] et [Z]) et de l'ordre de réaction (z, y et a). La valeur de k peut être déterminée par calcul ou de manière empirique. Ses unités sont basées sur l'équation équilibrée de la réaction chimique et changent en fonction de l'ordre de la réaction. Le moyen le plus simple de s'en souvenir est de noter que les unités de la vitesse sont toujours les mêmes.

Il n'est pas pratique de déterminer la valeur de k pour chaque réaction, que ce soit par mesure ou par dynamique moléculaire computationnelle. Heureusement, les ingénieurs peuvent déduire la vitesse de réactions inconnues à partir d'une bibliothèque de valeurs de taux pour des réactions connues. Ainsi, en étudiant et en classant les réactions élémentaires, les scientifiques ont développé des règles de vitesse pour estimer d'autres réactions.

D'autres facteurs peuvent affecter la vitesse de réaction :

• Température
• Pression
• Lumière (pour les réactions photolytiques)
• Électromagnétique (pour les réactions plasmatiques ou électrochimiques)
• L'état de l'espèce chimique : Solide, liquide ou gazeux
• Présence de catalyseurs
• Taille et structure moléculaires
• Couverture de la surface
• Taille des particules
  

Qu'est-ce qu'une réaction globale ?

Souvent, les manuels de génie chimique énumèrent une réaction globale comme ils le feraient pour des réactions élémentaires :

zA + yB + ... + aZ = Produits

En réalité, cette réaction pourrait comporter des milliers de sous-réactions élémentaires se produisant par étapes. La réaction globale - lorsque toutes les réactions élémentaires s'achèvent - peut alors être simplifiée en composants A, B, C et D ci-dessus.

Les essais physiques et les géométries complexes rendent difficile de
optimiser des réactions complexes. Cependant, la simulation peut simplifier
l'évaluation de ces systèmes

Certaines de ces sous-réactions peuvent ne pas dépendre de la pression ou de la température. D'autres peuvent être assez complexes, nécessitant la collision de trois espèces ou plus avant de réagir. D'autres encore peuvent être accélérées par l'introduction d'un catalyseur qui oblige le système à privilégier certaines voies de réaction.

Néanmoins, chacune de ces sous-réactions peut affecter la vitesse de la réaction globale de diverses manières. Les manuels peuvent apprendre aux ingénieurs à combiner les réactions élémentaires pour donner un sens à la réaction globale. Cependant, lorsque vous avez des centaines d'espèces et des milliers de réactions, le processus est trop complexe pour que l'homme moyen puisse le manipuler.

Traditionnellement, les ingénieurs étaient contraints de déterminer le taux de réactions complexes de manière expérimentale. De nos jours, il est facile d'utiliser la simulation pour étudier ces réactions afin de trouver la température, la recette du procédé ou la pression optimales pour faire évoluer le système vers des voies dominantes spécifiques.

Comment les ingénieurs peuvent-ils utiliser la cinétique chimique et la thermodynamique pour concevoir de meilleurs produits ?

La clé est de contrôler la température, la pression et les mélanges d'air dans le moteur afin que les processus qui produisent le plus d'énergie dominent - avec le moins de polluants.

Le problème est que l'essence n'est pas une espèce chimique monolithique. Elle est composée d'une distribution de substances dont les concentrations peuvent varier en fonction du lieu, de la saison et des procédés de fabrication. Par conséquent, les ingénieurs doivent concevoir le moteur de manière à ce qu'il fonctionne avec une variété de carburants.

Des milliers de réactions sont en jeu dans le moteur, ce qui en fait un système complexe. Par conséquent, la meilleure façon de contrôler les processus dominants est d'utiliser la simulation.

La simulation peut évaluer toutes les réactions chimiques potentielles en les incluant dans une simulation de dynamique des fluides computationnelle (CFD) du moteur. Les ingénieurs peuvent ensuite utiliser ces simulations pour affiner et optimiser les conceptions jusqu'à ce que les processus cibles dominent.

Les ingénieurs peuvent également ajouter d'autres aspects du moteur à la simulation pour étudier les compromis en matière d'efficacité du moteur, les effets du carburant, le transfert de chaleur, etc. Ils sont ainsi en mesure d'optimiser une pléthore de conceptions de réacteurs chimiques.

Pour en savoir plus, consultez le site Ansys Chemkin-Pro et regardez le webinaire : Using Detailed Chemistry in Ansys Chemkin-Pro for More Accurate CFD Combustion and Reacting Flow Simulations.

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