Voir Tp11 « évolution d’un système chimique »
1. Etat d’équilibre chimique
1.1. Transformation totale (Rappel)
Lorsque le réactif limitant d’une transformation chimique est entièrement consommé, la transformation est dite
……….
L’avancement final est égal à l’avancement maximal. : ……….
A l’état final, le système chimique contient ……….……….
………
Exemple :
Réaction du chlorure d’hydrogène avec l’eau : 1.2. Transformation non totale
Exemples de réactions non totales :
a. Réaction de l’acide éthanoïque avec l’eau
b. Réaction des ions fer (III) avec les ionsthiocyanate SCN-
Lors de l’ajout d’un des réactifs dans le système à l’état final forme à nouveau le produit. Cela veut dire qu’il restait des réactifs dans le milieu. La transformation est ………
Si une transformation n’est pas totale, à l’état final :
- ………. ;
- ………..
Exercice : 13 p 146
1.3. Modèle de l’équilibre dynamique
Au début : il n’y a que des réactifs. Seule la réaction directe se fait. La vitesse de réaction diminue dans le temps. La quantité de produit augmente. La réaction inverse se fait de plus en plus vite.
A l’échelle macroscopique, à l’état final d’une transformation non totale, le système chimique n’évolue plus. On dit que le système est dans un ………
A l’échelle microscopique, à l’état final d’une transformation non totale, les réactifs réagissent entre eux pour former les produits (sens direct) et simultanément les produits réagissent pour former les réactifs (sens indirect).
Les deux réactions ont lieu simultanément en sens inverse et à la même vitesse.
On dit qu’il se crée un ……… au niveau microscopique.
………
………..………..
Une transformation non totale est modélisée par deux réactions opposées l’une de l’autre :
1.4. Taux d’avancement
Comparer xf et xmaxpermet de distingue les transformations totales et non totales.
Définition : Le taux d’avancement final d’une réaction, noté (tau), est le quotient de l’avancement final par l’avancement maximal :
: taux d’avancement final (sans unité)
xf : avancement final (mol) xmax: avancementmaximal (mol) Remarques:
Si = ……….alors la transformation est ……… (xf = xmax)
Si 0 << 1 alors la transformation est ……….. (xf<xmax) Exercices : 14 p 146 (corrigé dans le livre), 15 p 146
2. Evolution spontanée d’un système chimique
2.1. Quotient de réaction Qr
On considère une réaction chimique d’équation : a A(aq) + b B(aq) c C(aq) + d D (aq) Le quotient de réaction Qr est défini par la relation :
Qr : quotient de réaction
[A], [B], [C] et [D] : concentrations des espèces en solution (mol.L-1) a, b, c, d : nombres stœchiométriques
c° : concentration standard égale à c° = 1 mol.L-1
Par convention, seules les concentrations des espèces dissoutes en solution interviennent dans l’expression. Les espèces chimiques sous forme solide, notées (s), ou le solvant, composé liquide majoritaire, noté (l), n’apparaissent pas (même s’il figure dans l’équation de la réaction).
Exemples : Ecrire le quotient de réaction dans des réactions suivantes : 1. S2O32-
(aq) + 2 H3O+(aq) S(s) + SO2(aq) + 3 H2O(l)
2. H3O+(aq) + HO-(aq) 2 H2O(l)
2.2. Constante d’équilibre K
A l’état d’équilibre, le quotient de réaction Qr,éq associé à une équation de réaction est indépendant de la composition initiale du système. Cette grandeur ne dépend que de la température T;
Elle est appelée constante d’équilibre et elle est notée K (T) :
Exemple :
Exprimer Les constantes d’équilibre dans les deux cas suivants : a. Cu2+(aq) + Zn(s) Zn2+(aq) + Cu(s)
b. Zn2+(aq) + Cu(s) Cu2+(aq) + Zn(s)
2.3. Critère d’évolution spontanée d’un système hors équilibre chimique
………..
………
A une température ……….., la comparaison du quotient de réaction dans l’état initial Qr,i à la constante d’équilibre K(T) permet de prévoir le sens d’évolution spontanée du système.
Exercices : 19 p 146 (corrigé dans le livre) ; 20 p 146
3. La pile électrochimique, siège d’une transformation spontanée (Voir Tp12)
3.1. Transfert spontané d’électrons
Une transformation spontanée modélisée par une réaction d’oxydoréduction s’accompagne d’un ……….. :
- ………. si l’oxydant et le réducteur sont en contact (voir expérience 2 )
- ………. si les réactifs ne sont pas en contact. Le système se comporte alors comme un générateur ou une pile.
(voir expérience 3) 3.2. Constitution d’une pile
Une pile convertit l’énergie ………. en énergie ………
Une pile est constituée de deux compartiments distincts, appelés
………, contenant chacun un couple oxydant-réducteur, généralement de type Mn+(aq)/M(s).
Les deux compartiments sont reliés par un ………..
La plaque métallique M(s) est appelée ………..
3.3. Fonctionnement d’une pile
La mesure de la tension aux bornes de la pile, quand cette dernière ne débite pas, permet d’en déterminer la polarité. Cette tension est appelée
………...
A ………, le courant électrique est un déplacement d’électrons qui circulent de la ……….. à la ………..
………...
Dans les ………, la conduction électrique est assurée par les
……….
………
A la borne ………, des électrons sont cédés par le réducteur métallique : la réaction est une ………. Red 1 = Ox1 + n1 e-
A la borne………., des électrons sont captés par l’oxydant : la réaction est une ……….. Ox2 + n2 e- = Red2
Exercice : 26p147 (exercice corrigé dans le livre) 3.4. Rôle du pont salin
Le pont salin contient généralement une solution aqueuse ionique gélifiée. Il relie les deux demi-piles et a pour fonction :
- ………
- ………
Document 2
Document 3 Tension à vide Document 1 Transfert spontané d’électrons
3.5. Exemple :
a) Indiquer
- les bornes positive et négative de la pile - Le sens du courant conventionnel - Le sens de circulation des électrons
b) Ecrire les demi-équations à chaque électrode quand la pile débite. Préciser pour chaque réaction s’il s’agit d’une oxydation ou d’une réduction.
c) Sachant que le pont salin est composé d’une solution gélifiée de K+ et Cl-, indiquer le mouvement des ions dans le pont salin.
Exercices : 25 p 147 (exercice corrigé dans le livre), 31 p 147 3.6. Pile usée
Une pile est un système chimique ………. qui évolue ………..
………
Il y a usure de la pile avec ……….. des quantités de ………..
et ………..
Lorsque l’équilibre est atteint, la réaction s’arrête, l’intensité du courant délivré et la tension à vide à ses bornes sont nulles. La pile est dite………..
Dans ce cas, ………..
3.7. Capacité d’une pile
Définition : la capacité électrique d’une pile est la charge électrique maximale que la pile peut débiter durant toute sa durée de vie :
Qmax : capacité de la pile (Coulomb C)
n(e-)max : quantité maximale d’électrons échangés (mol) NA : constante d’Avogadro (NA = 6,02 x 1023 mol-1) e = charge élémentaire (e = 1,60 x 10-19 C)
Remarque : La quantité maximale d’électrons échangés se détermine à partir de la quantité du réactif limitant.
Autre définition : la capacité d’une pile est égale à la charge électrique qui circule pendant la durée complète de fonctionnement, de l’état initial à son usure complète. Si l’intensité de fonctionnement I pendant sa durée de vie t est constante, alors :
Qmax : capacité de la pile (Coulomb C) I : intensité (A)
t : durée de vie (s)
Exercice : 30 p 147 (exercice corrigé dans le livre), 34 p 149 (exercice corrigé dans le livre), 35 p 149, 40 p 150 (exercice corrigé dans le livre),
3.8. oxydants et réducteurs usuels
Oxydant Couple Nom Utilisation
ClO-(aq) ClO- (aq)/ Cl- (aq) ou ClO-(aq) / Cl2(g)
Ion hypochlorite Eau de javel
O2(g) O2(g)/H2O(l) dioxygène Air ou dissous dans l’eau O2(aq)
Cl2(g) Cl2(g)/ Cl-(aq) dichlore Matière première de la synthèse du chlorure d’hydrogène, de l’eau de Javel.
Réducteur Couple Nom Utilisation
C6H8O6(aq) C6H6O6(aq)/ C6H8O6(aq) Acide ascorbique ou vitamine C
conservateur
H2(g) H+(aq)/ H2(g) dihydrogène Matière première de la synthèse de l’ammoniac NH3, en métallurgie pour oxyder les métaux extraits du sol, carburant dans les piles à combustibles
Caractères réducteur des métaux du bloc s
Pour optimiser les piles, il convient de choisir comme électrode des métaux très réducteurs cédant facilement des électrons.
Les métaux dont les éléments appartiennent aux colonnes 1 et 2 (bloc s) du tableau périodique sont très réducteurs, car ils perdent très facilement 1 ou 2 électrons sur leur couche de valence pour atteindre la configuration électronique du gaz noble le plus proche.
