ÉVOLUTION SPONTANÉE D'UN SYSTÈME CHIMIQUE
I. État d'équilibre d'un système chimique
1. Rappels de première
Pour réviser cette notion, il est fortement recommandé de
réviser la fiche suivante :
Modélisation de l'évolution d'un système chimique : notion d'avancement
2. Transformation totale ou non totale ?
a. Transformation totale
* Une transformation totale s'arrête quand l'un (au moins) des réactifs a entièrement réagi,
c'est le
réactif limitant.
* L'avancement final d'une réaction, noté
, est l'avancement
mesuré expérimentalement
lorsque plus aucune évolution du système chimique n'est observée (c'est-à-dire plus de réaction constatée).
* Lorsqu'une transformation totale s'arrête, l'avancement final est - dans ce cas -
maximal :
* Pour établir l'équation-bilan d'une transformation totale, on mettra une
simple flèche
pour préciser le
sens préférentiel de la transformation chimique :
b. Transformation non totale
* A contrario, la transformation est dite non totale (ou limitée ou équilibrée) dès lors que l'avancement final
de la réaction est
inférieur à l'état maximal calculé théoriquement :
* Dans l'état final de la transformation, les quantités de matière des réactifs et des produits n'évoluent plus :
on dit qu'il y a
coexistence des produits et de tous les réactifs.
* Pour établir l'équation-bilan d'une transformation non totale, on utilise une
double flèche
(voire le signe
égal) pour préciser
l'état d'équilibre de la transformation chimique :
3. Taux d'avancement final d'une réaction
Définition
Le taux d'avancement final d'une réaction chimique est le rapport
.
* Remarques :
x
f et x
max ont la même unité ;
est donc un nombre
sans unité, compris entre 0 (la réaction n'a pas lieu) et 1 (la réaction est totale) ;
* Considérons la réaction
notée
(1), où,
dans les mêmes conditions expérimentales :
A peut réagir sur
B (réaction
(1)), ou
C peut réagir sur
D (réaction
(2)
inverse de
(1)).
Si l'analyse de la composition du système chimique, obtenu par la réaction de
A sur
B (ou de
C sur
D),
montre que cette composition n'évolue plus et que
, alors
la réaction entre A et B (ou C et D)
n'est pas totale : dans l'état final, réactifs et produits coexistent.
Du point de vue
cinétique, au moment du mélange de
A et
B, la vitesse v
(1) de la réaction
(1)
est non nulle alors que v
(2) est nulle (les réactifs de (2) ne sont pas présents).
Au fur et à mesure de l'évolution du système, v
(1) diminue (
A et
B disparaissent) et v
(2) augmente
jusqu'à ce que v
(1) = v
(2) : les réactifs et les produits se forment et disparaissent à la même vitesse ;
ils sont tous présents et leurs quantités de matière ne varient plus. Cet état final est un
état d'équilibre chimique
où les deux réactions inverses se produisent à la même vitesse : cet équilibre est dit
dynamique.
II. Evolution spontanée d'un système chimique
1. Quotient de réaction
Définition
Soit la réaction
.
Le quotient de réaction
, qui évolue au cours de la réaction est :
2. Constante d'équilibre
Définition
La constante d'équilibre
est le quotient de réaction à l'équilibre :
* Remarques : pour une réaction donnée,
K ne dépend que de la température.
3. Sens d'évolution spontanée d'un système chimique
* Pour déterminer le sens d'évolution spontanée, il faut comparer le quotient de réaction dans l'état initial
à la constante d'équilibre
.
Propriété
* Le système étudié évolue spontanément vers l'état d'équilibre.
* Pour la réaction dont l'équation est
:
si
Qr,i < K,
le système évolue de manière que Qr évolue pour atteindre K ;
le sens spontané de la transformation chimique est le sens direct ;
la réaction s'accompagne spontanément de la consommation des réactifs A et B
et de la formation de produits C et D.
si
Qr,i = K,
le système n'évolue pas macroscopiquement. L'état d'équilibre du système est atteint.
si
Qr,i > K,
le système évolue de manière que Qr évolue pour atteindre K ;
le sens spontané de la transformation chimique est le sens inverse ;
la réaction s'accompagne spontanément de la consommation de C et D (C et D sont les réactifs)
et de la formation de A et B (A et B sont les produits).
III. Loi de Le Chatelier (hors programme)
1. Énoncé
Loi de Le Chatelier
Si la quantité de matière de l'une des espèces chimiques présentes dans un système chimique à l'état d'équilibre est modifiée,
ce système évolue pour s'opposer à cette modification.
2. Exemples
Quand on dissout de l'acide éthanoïque dans de l'eau, une petite quantité de molécules CH
3-COOH réagit avec l'eau.
Si on dilue la solution obtenue, on fait augmenter la quantité de molécules CH
3-COOH ayant réagi avec l'eau.