Chapitre 9 : Un système chimique évolue spontanément vers l état d équilibre

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1 Classe de TS Parte CChap 9 Chme PRTIE C : LE SENS «SPONTNE D EOLUTION D UN SYSTEME ESTIL PREISILE? LE SENS D EOLUTION D UN SYSTEME CIMIQUE PEUTIL ETRE INERSE? Chaptre 9 : Un système chmque évolue spontanément vers l état d ulbre Pré requs : Quotent de réacton vu au chaptre 6 Réactons acdobasques et d oxydoréducton Connassances et savorfare exgbles : () () () En dsposant de l uaton d une réacton, donner l expresson lttérale du quotent de réacton Qr, et calculer sa valeur dans un état donné du système. Savor qu un système évolue spontanément vers un état d ulbre. Etre capable de détermner le sens d évoluton d un système donné en comparant la valeur du quotent de réacton dans l état ntal à la constante d ulbre, dans le cas de réactons acdobasques et d oxydoréducton. I Quotent de réacton : ) Modélsaton d une transformaton chmque : Une transformaton chmque est généralement décrte comme sut : Etat ntal Mélange fctf «avant» réacton concentratons ntales apportées des espèces ntrodutes Etat fnal (état d ulbre) Mélange «après» réacton concentratons effectves des espèces en soluton dont les valeurs sont détermnées par mesure (pmétre, conductmétre )

2 Classe de TS Parte CChap 9 Chme La réacton modélsant une transformaton est décrte par une uaton chmque de la forme : a + b = c C + d D (*) où a, b, c et d sont les coeffcents stoechométrques, nombres enters les plus petts possbles. L écrture de la réacton cdessus ne préjuge en ren le sens d évoluton du système, dans le sens où s on mélange ntalement,, C et D, on ne sat s le système va évoluer de la gauche vers la drote (appelé sens drect) ou ben de la drote vers la gauche (appelé sens nverse). ) Expresson du quotent de réacton : En prenant pour exemple la réacton (*) cdessus, le quotent de réacton s écrt : C D Q r = a b [X représente la valeur numérque de la concentraton en X exprmée en mol/l, le solvant n étant pas prs en compte, n les soldes ntervenant dans la réacton. ) Calculs de Q r dans l état ntal et l état fnal () : a. Etat ntal : Nous aurons beson de calculer la valeur de Q r dans l état ntal noté Q r,. ns les concentratons consdérées sont celles en espèces dssoutes ntalement apportées notées [X : Q r, = ttenton, l faudra tenr compte du volume total de la soluton. Ex : L espèce représente les ons hydroxyde. Ceuxc sont apportés par v = 0 ml d une soluton d hydroxyde de sodum à 0. mol/l. Le volume total de la soluton est = 0 ml : On a, d après la concentraton de la soluton d hydroxyde de sodum, [Na + = [O = 0. mol/l D où : n(o ) = [O v = 0. 0* =.0* mol Or = 0 ml donc [O n( O ).0 * =.0* mol / L 0 * Rq : S ntalement, on apporte que les réactfs de la réacton (*), alors Q r, = 0. C c c a b. Etat fnal () : L état fnal correspond à l état d ulbre du système, les concentratons des espèces sont celles attentes dans cet état d ulbre notées [X. uss nous savons que le quotent de réacton prend une valeur partculère dans l état d ulbre appelée constante d ulbre, notée, est ndépendante de l état ntal du système. Les valeurs de [X sont obtenues par mesures pmétrques ou conductmétrques. II Crtère d évoluton spontané d un système chmque () : Nous allons, dans ce paragraphe, apprendre à détermner s un système chmque évolue dans le sens drect de l écrture de l uaton chmque ou dans le sens nverse. D d d b

3 Classe de TS Parte CChap 9 Chme ttenton, tout cec est fat sans consdérer les aspects cnétques. Donc s on prédt qu une réacton va s effectuer dans le sens drect, par exemple, l se peut que cec ne sot pas observable à cause de la vtesse de la transformaton. ) Mse en évdence expérmentale par étude d une réacton acdobasque : a. Réacton étudée : Il s agt de celle ente deux couples acdobasque : C / C de p =.8 et / de p =.8 Sans préjuger du sens de la réacton on peut écrre l uaton chmque comme sut : C + = C + De chaque côté, on a ben la réacton entre un acde et une base. b. Calcul de la constante d ulbre de cette réacton : C Donnons l expresson du quotent de réacton : Q r = C Donc à l ulbre : Q r, = = C C.8.8 O C C O c. Etude de tros mélanges, présentaton de la démarche : Fche élève On va mélanger dvers volumes de solutons d acde méthanoïque ( ), de méthanoate de sodum ( ), d acde acétque ( ) et d acétate de sodum ( ) de même concentraton à.0* mol/l, pour obtenr tros mélanges dfférents. Pus on étudera chaque mélange de la même manère : l ade du volume ntale de chaque soluton, on calculera le quotent de réacton dans l état ntal du système : en effet s (= ) est volume fnal de soluton : c c C et d où Q r, = c C c La valeur du p de la soluton obtenue nous permettra d obtenr le rapport des concentratons des espèces conjuguées pour chaque couple : O p p En effet, = d où et on obtendra faclement Q r, O

4 Classe de TS Parte CChap 9 Chme d. Calculs pour les tros mélanges et nterprétatons : Fche élève Mélange : S S S cde méthanoïque (ml) Méthanoate de sodum (ml) cde éthanoïque (ml) Ethanoate de sodum (ml) Rapport des concentratons des espèces conjuguées Etat ntal Rapport des concentratons des espèces conjuguées Etat ntal C C aleur de Q r,.0 50 aleur du p du mélange...5 p p. (+).0 () 5.0 (=) C p p. (+) 5.0 ().0 (=) C aleur de Q r, Q r, < =Q r, Q r, > =Q r, Sens drect Sens nverse Comparason de Q r, et de et sens d évoluton Q r, = =Q r, Pas d évoluton ) Généralsaton : Un système évolue spontanément pour fare prendre à son quotent de réacton la valeur qu l a à l ulbre. Tros cas peuvent alors se produre : a. S Q r, <, alors le système évolue dans le sens drect jusqu à ce que Q r, =. b. S Q r, >, alors le système évolue dans le sens nverse jusqu à ce que Q r, =. c. S Q r, = alors le système n évolue pas. or dagramme lvre p 79 fg 6 Il exste néanmons deux cas usuels : a. S au départ de la transformaton seuls les réactfs sont présents : alors le système ne peut évoluer que dans le sens drect. b. S au départ de la transformaton, seuls les produts sont présents, alors le système ne peut évoluer que dans le sens nverse. III Illustraton du crtère d évoluton spontanée avec l oxydoréducton () : On mélange les espèces suvantes : = 0 ml d'une soluton de sulfate de fer ( III ) de concentraton C = 0,00 mol.l = 0 ml d'une soluton de sulfate de fer ( II ) de concentraton C = 0,00 mol.l = ml d'une soluton de sulfate de cuvre ( II ) de concentraton C = 0, mol.l g de poudre de cuvre. Données : couples : Fe + / Fe + et Cu + / Cu a. Ecrre l'uaton de la réacton susceptble de se produre entre le cuvre et les ons Fe +.

5 Classe de TS Parte CChap 9 Chme b. Calculer le quotent de réacton ntal assocé à cette uaton. c. Détermner le sens d'évoluton spontanée de la réacton où =,8. 0. a. Demuatons et uaton : Fe + + e = Fe + Cu (s) = Cu + + e Fe ( aq ) Cu ( s) Fe Cu b. Quotent de réacton dans l état ntal : Dans l'état ntal (avant la réacton, pourtant rapde), les quanttés de matère apportées sont : n (Fe + ) ntal = C = 0,00 0,0. = 6,0. mol n (Fe + ) ntal = C = 0,00 0. =,0. mol n (Cu + ) ntal = C = 0,0. =,0. mol La poudre de cuvre, à l'état solde, ne fgure pas dans le quotent de réacton et on a = + + = 5,0. L [Fe + ntal = n = 6,0. 5,0. =,. mol.l [Fe + ntal = n =,0. 5,0. = 8,0. mol.l Dans l'état ntal, le quotent de la réacton est : Q r, = [Cu + ntal = n =,0. 5,0. =,0. mol.l [Fe ntal [Fe [Cu ntal Qr, = (8,0. ),0. (,. ) = 8,89. c. Détermnons le sens d'évoluton spontané de la réacton, sachant que =,8. 0 : Q r, = 8,89. < Par consuent, d'après le crtère d'évoluton spontanée, le système chmque va évoluer dans le sens drect de l'uaton : Fe + + Cu (s) = Fe + + Cu + Exercces n 8 et p 89/9 ntal 5