Sens d’évolution spontanée d’un système chimique

Chap 6 Chimie

Sens d’évolution spontanée d’un système chimique

Terminale spécialité

On a vu les années précédentes les réactions chimiques. Ces réactions chimiques peuvent être totales ou non. Qu’est ce qui fait qu’une réaction chimique est totale, ou pas ? Comment évolue un système chimique hors état équilibre ? Comment le prévoir et l’utiliser ?

1. Etat final d’une transformation chimique.

1. Les transformations totales

Lorsque le réactif limitant d’une transformation chimique est entièrement consommé, on dit que la transformation est totale.

On a alors l’avancement final qui est égal à l’avancement maximal xf = xmax.

On symbolise la transformation par une simple flèche.

A l’état final le système chimique contient alors les réactifs en excès et les produits de la transformation.

Ex : Cu2+ + 2 HO- Cu(OH)2

2. Les transformations non totales

Lorsque le réactif limitant d’une transformation chimique n’est p as entièrement consommé, on dit que la transformation est non-totale ou limitée.

On a alors l’avancement final qui est inférieur à l’avancement maximal xf < xmax.

On symbolise la transformation par une double flèche.

A l’état final le système chimique contient alors tous les réactifs et tous les produits de la transformation.

Remarque :

Dans l’état final d’une transformation limitée, le système chimique n’évolue plus au niveau macroscopique, tous les réactifs et les produits coexistent et la composition chimique du système n’évolue plus, on dit que le système est à l’état d’équilibre (xf = xeq).

Mais au niveau microscopique, le système est le siège de deux réactions chimiques opposées, on dit qu’il se crée un équilibre dynamique.

Ex : la synthèse de l’ammoniac est une réaction limitée notée N2 + 3H2 2NH3 qui traduit un état d’équilibre siège de deux réactions chimiques opposées

N2 + 3H2 2NH3 (sens direct)

N2 + 3H2 2NH3 (sens indirect ou inverse)

3. Taux d’avancement final

Le taux d’avancement final d’un système chimique est le rapport entre l’avancement final et l’avancement maximal de la réaction chimique

τ =

C’est une grandeur sans dimension toujours inférieure à 1, qui peut s’exprimer en pourcentage.

Si τ = 1 la réaction est totale

Si τ < 1 la réaction est limitée

2. Evolution spontanée d’un système

1. Quotient de réaction Qr

Le quotient de réaction est une grandeur sans unité qui permet de caractériser le système chimique dans un état donné.

Pour la réaction d’équation : a A (aq) + b B (aq) = c C(aq) + d D(aq)

L’expression générale du quotient de réaction Qr, dont la valeur évolue au cours de la réaction, est :

Qr =

Qr dépend des quantités initiales de réactifs et des produits, du volume de la solution et de l’avancement de la réaction.

On peut calculer la valeur de Qr dans un état quelconque donné du système et même dans son état initial si réactifs et produits y sont présents: Qri, il est fixé par l’expérimentateur Qri peut être nul si le système à l’état initial ne contient que les réactifs et pas de produits.

Par convention, l’eau, solvant, n’intervient pas dans le quotient de réaction, de même que les solides non miscibles.

Exemple : Le quotient de réaction Qr associé à l’équation

S2O32- (aq) + 2H3O+ (aq) ⇄ S(s) +SO2(aq) +3H2O(l) s’écrit Qr = le soufre solide et l’eau (solvant n’interviennent pas)

Rem, pour info :

Le quotient de réaction se calcule en fait par le rapport des activités (a= C/C0, avec C0 concentration de référence égale à 1 mol.L-1) des réactifs et des produits

2. Constante d’équilibre

Lorsque l’équilibre est atteint, les concentrations des différentes espèces restent constantes. Le quotient de réaction relatif à l’équilibre Qr,éq est alors appelé constante d’équilibre et noté K.

Quand le système est à l’équilibre, on a alors :

K = Qr,éq =

- K est caractéristique de la réaction et ne dépend que de la température et pas de la composition initiale du système.

- Plus K est grande, plus le taux d’avancement τ est proche de 1. Pour K > 104 on considère que la transformation est totale.

- Si K est la constante associée à l’équation d’une réaction alors K’, la constante associée à l’équation de la réaction inverse vérifie K’ = (Donc si une transformation est totale, son inverse est très limitée).

3. Critère d’évolution spontanée d’un système

Un système est en évolution lorsque sa composition évolue au cours du temps.

L’évolution est spontanée si le système évolue sans intervention extérieure.

Si un système évolue spontanément cela signifie

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