Fiche de physique - chimie
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ÉVOLUTION SPONTANÉE D'UN SYSTÈME CHIMIQUE

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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 :

fiches 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 x_f, 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 :

\boxed{x_f = x_{max}}

* Pour établir l'équation-bilan d'une transformation totale, on mettra une simple flèche pour préciser le sens préférentiel de la transformation chimique :

\boxed{\alpha A + \beta B \rightarrow \gamma C + \delta D}


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 :

\boxed{x_f < x_{max}}


* 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 :

\boxed{\alpha A + \beta B \leftrightarrows \gamma C + \delta D}

3. Taux d'avancement final d'une réaction

Définition
Le taux d'avancement final d'une réaction chimique est le rapport \boxed{\tau = \dfrac{x_{f}}{x_{max}}}.

* Remarques :
xf et xmax ont la même unité ;
\tau est donc un nombre sans unité, compris entre 0 (la réaction n'a pas lieu) et 1 (la réaction est totale) ;

* Considérons la réaction \alpha A + \beta B \rightarrow \gamma C + \delta D 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 \tau < 1, 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 \alpha A + \beta B \leftrightarrows \gamma C + \delta D}. Le quotient de réaction Q_r, qui évolue au cours de la réaction est :

\boxed{Q_r = \dfrac{\left[C\right]^{\gamma}.\left[D\right]^{\delta}}{\left[A\right]^{\alpha}\left[B\right]^{\beta}}}

2. Constante d'équilibre

Définition
La constante d'équilibre K est le quotient de réaction à l'équilibre :

\boxed{K = Q_{r_{eq}} = \dfrac{\left[C\right]^{\gamma}_{eq}.\left[D\right]^{\delta}_{eq}}{\left[A\right]^{\alpha}_{eq}.\left[B\right]^{\beta}_{eq}}}

* 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 Q_{r,i} à la constante d'équilibre K.

Propriété
* Le système étudié évolue spontanément vers l'état d'équilibre.

* Pour la réaction dont l'équation est \alpha A + \beta B \leftrightarrows \gamma C + \delta D} :

si Qr,i < K,
      sommedirecte le système évolue de manière que Qr évolue pour atteindre K ;
      sommedirecte le sens spontané de la transformation chimique est le sens direct ;
      sommedirecte 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,
      sommedirecte le système n'évolue pas macroscopiquement. L'état d'équilibre du système est atteint.

si Qr,i > K,
      sommedirecte le système évolue de manière que Qr évolue pour atteindre K ;
      sommedirecte le sens spontané de la transformation chimique est le sens inverse ;
      sommedirecte 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 CH3-COOH réagit avec l'eau.
Si on dilue la solution obtenue, on fait augmenter la quantité de molécules CH3-COOH ayant réagi avec l'eau.

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