Au cours de l’UE, les étudiants aborderont différentes approches de la description de la réactivité chimique à travers l’élucidation et formalisation d’un mécanisme réactionnel, et l’évolution du système chimique. La réactivité sera abordée de manière multi-échelle avec les bases de chimie-physique depuis les orbitales moléculaires jusqu’à la cinétique, des éléments introductifs du génie chimique avec les bilans matière, et enfin miese en oeuvre différents exemples d’applications venant de la chimie organique ou inorganique, la chimie environnementale ou encore de combustion. Ainsi, la réactivité sera abordée à la fois sous l’angle des concepts théoriques et expérimentaux en s’appuyant sur des travaux pratiques.
Dans une première partie, nous aborderons comment est mesurée en laboratoire la réactivité à l’aide d’outils cinétiques et nous introduirons le concept de bilan matière dans les réacteurs chimiques. L’établissement d’équation cinétique formelle sera ensuite abordé en lien avec le bilan matière du réacteur. La cinétique réelle sera également abordée avec le concept de successions d’étapes élémentaires, d’étapes déterminantes et l’établissement d’une équation de vitesse à partir d’un mécanisme complexe. L’élucidation de mécanismes sera un point central avec en point de mire la problématique de la prédiction de la réactivité.
Dans une seconde partie, nous aborderons la notion de réaction chimique du point de vue de la chimie théorique. Nous montrerons que les paramètres clés caractérisant une réaction (grandeurs thermodynamiques et cinétiques) sont liés à la surface d’énergie potentielle associée à la réaction. Nous montrerons comment la chimie théorique permet de calculer cette surface et de s’y déplacer pour simuler la réaction chimique. Deux grandes familles de méthodes seront particulièrement présentées, les champs de force et la chimie quantique. L’accent sera mis sur la simulation des grandeurs cinétiques et nous détaillerons plusieurs effets pouvant modifier, à l’échelle atomique, la cinétique d’une réaction (l’environnement, l’effet tunnel…). Ensuite, nous présenterons la théorie des orbitales frontières permettant de rationaliser les résultats de calcul de la chimie quantique. Enfin, des exemples seront détaillés pour montrer comment les études de chimies théoriques de réactivités s’insèrent dans une description multi-échelle de la réactivité chimique.
