SYSTEME FERME EN REACTION CHIMIQUE

Transcription

1 SYSTEME FERME EN REACTION CHIMIQUE I. DESCRIPTION D UN SYSTEME. Les dfférets types de système (ouvert, fermé, solé U système S est formé d u esemble de corps séparés du reste de l uvers (appelé mleu extéreur M.E. par ue surface fermée réelle ou fctve. M.E. Surface fermée S Les proprétés de cette surface détermet les échages du système avec le mleu extéreur : - Echage de matère et d éerge : système ouvert (bécher lors d u dosage : ajout de matère - Echage d éerge mas pas de matère : système fermé (ce que ous allos étuder - Pas d échage de matère d éerge : système solé (l uvers est u système solé Remarque : Das le cas d'u système fermé, la masse du système reste costate, mas sa composto peut varer par sute de processus teres (réactos chmques. 2. Paramètres d état (tesfs et extesfs L état d u système à l équlbre est détermé par la coassace d u pett ombre de gradeurs macroscopques appelées paramètres d état ou varables d état. Sot u système composé de dfféretes espèces chmques (B. Les paramètres d état de ce système sot sa masse (m, so volume (, sa température (T, sa presso (P, les quattés de matères (. O dstgue deux types de paramètres : - U paramètre extesf est ue gradeur addtve lée aux dmesos du système et à la quatté de matère (, m,. - U paramètre tesf est déf e chaque pot du système et e possède pas la proprété d addtvté relatve aux dmesos du système et à la quatté de matère (P, T. Remarque : le quotet de 2 gradeurs extesves fourt ue gradeur tesve. Ex : masse volumque masse/volume ; cocetratoquatté de matère/volume 3. Phases d u système La parte du système où tous les paramètres tesfs sot sot uformes (même valeur e chaque pot, sot varet cotûmet e tout pot costtue ue phase du système. Exemple : Les états physques d u corps pur (solde, lqude, gaz costtuet des phases dfféretes (dscotutés de la masse volumque. 4. Composto d u système homogèe (cocetrato et fracto molare, presso partelle et lo de Dalto U système das lequel tous les paramètres tesfs sot uformes est homogèe, la composto est alors la même e chaque pot. Remarque : U système homogèe comporte ue seule phase. Delacour - Chme - PTSI Paul Costas Réactos e soluto aqueuse - Chaptre : Système fermé e réacto chmque

2 Autres paramètres d états tesfs d u système homogèe composé de costtuats chmques (B occupat le volume : - Cocetrato molare de B : [ B ] c - Fracto (ou ttre molare de B : x k k avec x Remarque : o déft de même le ttre (ou fracto massque de B : m cocetrato massque : χ m w w m k k et la Cas d u système e phase gazeuse : O adoptera le modèle du gaz parfat qu obét à l équato d état : P..R.T P : presso totale (Pa : volume occupé (m 3 : quatté totale de matère (mol T : température thermodyamque (K avec T(K t( C + 273,6 R : costate des gaz parfats R 8,34 J.K -.mol - Pour caractérser chaque espèce gazeuse B das u mélage déal de gaz parfats, o peut utlser les pressos partelles. - La presso partelle de B das le mélage gazeux est la presso qu aurat B s l occupat seul tout le volume offert au mélage à la même température : P..R.T Lo de Dalto : Das u mélage déal de gaz parfats, la presso totale est la somme des pressos R.T R.T R.T partelles de tous les gaz présets : P... P Remarques : La presso partelle est relée à la cocetrato molare : P.R.T c.r.t as qu à la fracto molare et à la presso totale II. EQUATION BILAN ET AANCEMENT D UNE REACTION CHIMIQUE. Equato bla et ombres stœchométrques algébrques L équato bla tradut les proportos das lesquelles les dfférets réactfs réagsset pour former les produts. Exemple : L ammoac est sythétsé suvat la réacto d équato bla : 3 2 O peut auss écrre cette équato bla comme cec : Les ombres stœchométrques deveet alors algébrques : 2 pour ; - pour ; -3 pour. Cosdéros u système sège d ue uque réacto dot l équato bla s écrt : sot ecore 0 Das cette écrture est le ombre stœchométrque algébrque du costtuat B : postf 0 s B est u produt et égatf 0 s c est u réactf. Cette forme algébrque de l équato bla est utlsée e thermodyamque chmque, cétque chmque... Delacour - Chme - PTSI Paul Costas Réactos e soluto aqueuse - Chaptre : Système fermé e réacto chmque

3 2. Avacemet d ue réacto Das u système fermé, les varatos des quattés de matères des dfférets costtuats sot dues à la réacto chmque s y déroulat. Ces varatos e sot alors pas dépedates. Nous allos chercher leur relato par le bas d u tableau d avacemet sur l exemple de la réacto d équato bla : 3 2 ou Par défto représete l avacemet de la réacto à l stat t. Par coveto o predra : 0 0. Equato bla : Etat tal (t0 Etat e cours d évoluto (t Etat fal (t f Pour u système chmque fermé, de composto tale doée, la composto est coue à chaque -0 stat s l avacemet est cou : 0 + ν.ξ sot ξ avec ν algébrque ν S l avacemet ξ est postf (ξ>0, l évoluto est das le ses drect : 3 2 S l avacemet ξ est égatf (ξ<0, l évoluto est das le ses drect : 3 2 Les quattés de matère état des gradeurs postves ou ulles (, les varatos de sot borées avec : - : plus pette valeur postve de ξ aulat la quatté de matère de l u des réactfs (dt lmtat. La réacto est alors totale (ou quattatve das le ses drect. - : plus grade valeur égatve de ξ aulat la quatté de matère de l u des produts (dt lmtat. La réacto est alors totale (ou quattatve das le ses verse. S, l état fal correspodat à u équlbre chmque où tous les costtuats de la réacto sot présets. Remarque : l avacemet est attaché à ue équato bla doée. S les coeffcets stœchométrques sot multplés par α, l avacemet est dvsé par α. Autres paramétrages d évoluto : Avacemet volumque Lorsque le volume du système chmque reste costat (soluto aqueuse par exemple, o utlse souvet les cocetratos des espèces plutôt que les quattés de matère : o [ B ] c + ν ξ c o. + ν ξ avec ξ ξ avacemet volumque (e mol.l - Taux de coverso ou degré d avacemet Cette gradeur est assocée à u réactf B (ν < 0 : quatté de B ayat réag τ (τ > 0 quatté tale deb d où 0.(- τ Remarque : das le cas d u réactf uque qu se dssoce, o utlse le terme de coeffcet de dssocato souvet oté α. Delacour - Chme - PTSI Paul Costas Réactos e soluto aqueuse - Chaptre : Système fermé e réacto chmque

4 III. QUOTIENT DE REACTION - CONSTANTE D EQUILIBRE. Quotet réactoel Sot u système réactoel, sège d ue réacto chmque dot l équato bla s écrt : ou de faço plus géérale : 0 O désge par quotet réactoel, oté Q, la quatté :.. ou de faço plus géérale : avec a(b, gradeur sas dmeso, désgée par actvté du costtuat B das le système chmque. Remarques : Le quotet réactoel est assocé à ue équato bla doé. L actvté d ue espèce chmque déped de la ature et de l état de l espèce cosdérée. Nous admettos les expressos suvates qu serot étables e secode aée. S B appartet à ue phase gazeuse PB a(b avec 0 P R.T PB (B. : presso partelle du costtuat B das la phase gazeuse P 0 bar 0 5 Pa : presso stadard (ou de référece Cette expresso de l actvté est valable pour de fables pressos. S B appartet à ue soluto [B ] c B est u soluté : a(b 0 0 avec c c (B c [B ] : cocetrato molare de B c 0 mol.l - : cocetrato stadard (ou de référece Cette expresso est valable pour des solutos dluées 0.. B est le solvat (eau par exemple das ue soluto aqueuse : a(h 2 O S B est solde ou lqude seul das sa phase : a(b 2. Costate d équlbre Au fur et à mesure que la réacto se produt, l avacemet ξ vare, les actvtés varet et smultaémet Q vare. S l évoluto a leu das le ses drect, Q augmete, s elle a leu das le ses verse, Q dmue. Lorsque le système cesse d évoluer l avacemet ξ a attet sa valeur fale ξ f. Ue étude thermodyamque motre que lorsque l état d équlbre fal est attet, Q eq pred ue valeur qu est dépedate de la maère dot l état d équlbre a été réalsé. A l équlbre : où K 0 (T est appelée costate thermodyamque d équlbre qu e déped que de la température. Remarque : la coassace de K 0 (T permet d accéder à la valeur de l avacemet das l état d équlbre fal, doc à la composto fale du système qu e déped que de sa composto tale coue. Delacour - Chme - PTSI Paul Costas Réactos e soluto aqueuse - Chaptre : Système fermé e réacto chmque

5 3. Evoluto d u système chmque Le système évolue de faço à ce que le quotet de réacto Q tede vers K 0 (T : - Q < K 0 (T : évoluto das le ses drect - Q > K 0 (T : évoluto das le ses verse - Q K 0 (T : pas d évoluto (état d équlbre K 0 Q Q 2 Q Réacto totale : Ue réacto peut être cosdérée comme totale (quattatve lorsque ξ f est égal ou très vos de ξ max : ξ f ξ max ε avec 0 < ε << ξ max. Das le cas gééral - équlbres homogèes - cette stuato correspod au cas où K 0 >>. (Das le cas d u équlbre hétérogèe o peut assster à ue rupture d équlbre par défaut d u réactf : vor sute du cours Réacto ulle : Ue réacto peut être cosdérée comme ulle s ξ f est sesblemet ul (ξ f ε. Cette stuato correspod e gééral au cas où K 0 <<. I. REACTIONS CHIMIQUES EN SOLUTION AQUEUSE Ue soluto aqueuse est obteue e dssolvat u ou pluseurs solutés das l eau qu costtue le solvat. Les solutés sot présets e fable quatté et le solvat costtue l espèce très largemet majortare.. Caractérstques de la molécule d eau Géométrques : agle HOH 04,5 - logueur de laso O-H 96 pm Electrques : 2 doublets lats ( et 2 et 2 doublets o lats (3 et 4 L eau est ue molécule polare : car l atome d oxygèe est plus électroégatf que l atome d hydrogèe; les doublets de laso ( et (2 sot plus attrés par l'oxygèe que par l'hydrogèe. So momet dpolare est élevé : p(h 2 O,85 D à 20 C ( debye (D 29 Coséqueces : A cause des valeurs mportates de so momet dpolare et de sa costate délectrque, l eau est u solvat osat, dssocat, dspersat et hydratat. 2. Réactos e soluto aqueuse - trasfert de partcules.0 C.m 3 Das ue soluto aqueuse, l eau et les espèces oques ou moléculares e présece peuvet partcper à des réactos chmques que l o peut classer e 4 types selo la ature des partcules échagées etre u doeur et u accepteur : - Réactos acdo-basques (Chaptre 2 : échage de proto L eau possède ue costate délectrque mportate : ε r 80 à 20 C. - Réactos d oxydo-réducto (Chaptre 5 : échage d électro - Réactos de précptato (Chaptre 4 : échage d ao ou de cato - Réactos de complexato (Chaptre 3 : échage de lgad - 2δ O (3 (4 H ( (2 +δ +δ H Delacour - Chme - PTSI Paul Costas Réactos e soluto aqueuse - Chaptre : Système fermé e réacto chmque