Cours CH4. Description d un système physico-chimique Transformation chimique

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1 Cours CH4 Description d un système physico-chimique Transformation chimique David Malka MPSI Lycée Saint-Exupéry

2 Table des matières 1 Description d un système physico-chimique Système Système ouvert, fermé, isolé Description d un système Variables d état extensives Variables d état intensives Notion de phase Composition chimique d un système Système général Solutions Mélange gazeux La transformation chimique La transformation chimique Un modèle : la réaction chimique Avancement de réaction Cœfficients stœchiométriques algébriques Avancement de réaction Tableau d avancement Réactions totales Réactions limitées Table des figures Capacités exigibles 1. Recenser les constituants physico-chimiques présents dans un système. 2. Décrire la composition d un système à l aide des grandeurs physiques pertinentes (fractions molaires, pression partielle, concentration...). 3. Écrire l équation de la réaction qui modélise une transformation chimique donnée. 4. Déterminer la composition chimique du système dans l état final pour une transformation modélisée par une réaction chimique unique et totale.

3 1 Description d un système physico-chimique 1.1 Système Système thermodynamique On appelle système Σ l ensemble matériel contenu à l intérieur d une surface fermée S 1. Le reste de l univers est appelé milieu extérieur. 1.2 Système ouvert, fermé, isolé ouvert : échange de la matière et a fortiori de l énergie avec l extérieur, fermé : échange de l énergie mais de pas de matière avec l extérieur, isolé : n échange ni énergie ni a fortiori de matière avec l extérieur. On se limite à l étude de système fermé. 1.3 Description d un système A l échelle macroscopique, le système est décrit à l aide de variables d état. exemple : la pression P, le volume V, la quantité de matière n Variables d état extensives Les variables d état extensives sont : relatives au système dans sa globalité additives pour des systèmes indépendants exemple : la quantité de matière n, le volume V, la masse m Variables d état intensives Les variables d état intensives sont : définies localement non additives exemple : la pression P, la température T, la concentration molaire C. 1.4 Notion de phase Phase On appelle phase toute région de l espace dans laquelle les variables d état intensives varient continûment. La phase est dite uniforme si les variables intensives ont même valeur en tout point de la phase. Enfin, on appelle système homogène un système constitué d une unique phase uniforme. 1.5 Composition chimique d un système Système général On peut décrire la composition chimique d un système composé de constituants {i} à l aide des variables suivantes : quantités de matières n i fractions molaires x i = n i j n j = n i n 1. Les parois de la surface peuvent être réelles ou virtuelles. 1

4 masses m i fraction massiques y i = m i j m j = m i m P Application-1 L air est constitué, en quantité de matière, à 80% de diazote N 2 et à 20% de dioxygène O 2. On donne les masse molaires M N2 = 28, 0 g.mol 1 et M O2 = 23, 0 g.mol Donner les fraction molaires en dioxygène et diazote. 2. Calculer les fractions massiques en dioxygène et diazote. 1.x O2 = 20%, x O2 = 80% 2.y O2 = 22%, y N2 = 78% Solutions On peut décrire la composition chimique d une solution, de volume V, composée de constituants {i} (hormis le solvant) à l aide des variables suivantes : concentrations molaires C i = n i V concentrations massiques t i = m i V P Application-2 Montrer que t i = M i C i où M i est la masse molaire du constituant i. Combiner les définitions de M, C et t Mélange gazeux Rappel : équation d état du gaz parfait à l équilibre : P V = nrt Pression partielle Soit un mélange gazeux. On appelle pression partielle 2 du gaz i du mélange la pression P i qu exercerait ce gaz s il était seul à occuper l espace. Loi de Dalton Soit un mélange idéal de gaz parfaits de pression P. Alors les pressions partielles P i de chacun de gaz vérifient la relation : P i = x i P Dans ces conditions, on peut décrire la composition du mélange gazeux par la donnée de la pression partielle de chacun des constituants. P Application-3 Soit un mélange de gaz nobles contenu dans une enceinte de 100 L à la température T = 2983 K : 2 mol d hélium He, 5 mol d argon Ar et 10 mol de néon Ne. Calculer la pression partielle de chacun des gaz ainsi que la pression totale P dans l enceinte. On donne la constante du gaz parfait R = 8, 314 J.K 1.mol 1. P = 4, 14 bar, P He = 0, 49 bar, P Ar = 1, 22 bar, P Ar = 2, 43 bar. 2. De par sa définition, la pression partielle d un gaz est une grandeur non mesurable. 2

5 2 La transformation chimique 2.1 La transformation chimique Transformation chimique On appelle transformation chimique le passage d un système d un état initial à un état final avec modification des des espèces chimiques le constituant et de leurs quantités de matière. 2.2 Un modèle : la réaction chimique La réaction chimique est un modèle de la transformation chimique ne s intéressant qu au bilan de matière de cette transformation. Ce bilan est symbolisé par une équation-bilan ou équation chimique. exemple : CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) = CH 3 COO (aq) } {{ } + H 3O + (aq) } {{ } réactifs produits De façon général, on pourra écrire : a i R i = i i avec R i les réactifs, P i les produits, a i et b i leurs cœfficients stœchiométriques respectifs. 2.3 Avancement de réaction Cœfficients stœchiométriques algébriques b i P i On note ν i le cœfficients algébriques associés à une espèces chimique i : si cette espèce est un produit : ν i = b i si cette espèce est un réactif : ν i = a i Avancement de réaction Avancement de réaction On définit l avancement de réaction ξ à l instant t par : soit ξ(t) = n i ν i = n i(t) n i (0) ν i ni(t) = n i (0) + ν i ξ On définit de même l avancement infinitésimal par dξ = dn i ν i Tableau d avancement Ce tableau donne les quantités de matières de chaque espèce chimique à un instant t. ξ N 2(g) +3H 2(g) = 2NH 3(g) 0 1 mol 4 mol 0 mol ξ 1 ξ 4 3ξ 2ξ ξ f 1 ξ f 4 3ξ f 2ξ f 3

6 2.4 Réactions totales Réaction totale Une réaction est totale si à la fin de la réaction au moins un des réactifs a été entièrement consommé. Ce réactif est dit limitant ou en défaut. L avancement final ξ f est alors égale à l avancement maximal ξ max. P Application-4 On considère la réaction de combustion de 7 mol d éthane C 2 H 6 dans 10 mol de dioxygène O 2. Sachant que la réaction est totale, déterminer la composition finale du système. Réactif limitant : O 2 ξ f = 20 7 mol ξ C 2 H 6(g) O 2(g) = 2CO 2(g) +3H 2 O (l) ξ 7 ξ 10 7 ξ 2ξ 2ξ 2 ξ f = ξ f = ξ f = 0 2ξ f = ξ f = Réactions limitées Il existe très peu de réactions rigoureusement totales. La grande majorité des réactions est limitée c est-à-dire que l avancement final est inférieur à l avancement maximal. Ces réactions sont gouvernées par la loi d action de masse (voir chapitre CH5). De nombreuses réactions limitées peuvent être approximativement considérées comme totales. 4

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