Description d’un système et évolution vers un état final

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Description d’un système et évolution vers un état final

Julien Cubizolles

Lycée Louis le Grand

Vendredi 15 octobre 2021

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États physiques et transformations de la matière Évolution d’un système physico-chimique Équilibres chimiques

Description d’un système et évolution vers un état final

Julien Cubizolles

Lycée Louis le Grand

Vendredi 15 octobre 2021

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Ï Lavoisier (1777)principe de conservation de la masse.

Ï Proust (1794)loi des proportions définies. Ï Écriture moderne :

α_AA +α_BB α_CC +α_DD^,

coefficients stœchiométriquescaractéristiques de la réaction. Ï Berthollet propose en 1803 que pour toute réaction la réaction

inverse peut également se produire :

αCC +αDD αAA +αBB,

jusqu’à unéquilibreoù ^{, , ,} sont présents, en quantités stationnaires.

Ï Guldberg et Waage énoncent en 1865 laloi d’action des masses qui détermine les quantités de , , , à l’équilibre.

Ï Résultat thermodynamique, indépendant de la cinétique des réactions directes et indirectes.

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Ï Proust (1794)loi des proportions définies.

Ï Écriture moderne :

α_AA +α_BB α_CC +α_DD^,

coefficients stœchiométriquescaractéristiques de la réaction. Ï Berthollet propose en 1803 que pour toute réaction la réaction

inverse peut également se produire :

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αAA +αBB αCC +αDD^,

coefficients stœchiométriquescaractéristiques de la réaction.

Ï Berthollet propose en 1803 que pour toute réaction la réaction inverse peut également se produire :

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Guldberg et Waage énoncent en 1865 laloi d’action des masses

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Guldberg et Waage énoncent en 1865 laloi d’action des masses

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États physiques Phases

Tranformations physico-chimiques

1. États physiques et transformations de la matière 2. Évolution d’un système physico-chimique 3. Équilibres chimiques

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1. États physiques et transformations de la matière 1.1 États physiques

1.2 Phases

1.3 Tranformations physico-chimiques 2. Évolution d’un système physico-chimique 3. Équilibres chimiques

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Différentes propriétés

La matière peut présenter des propriétés physiques très différentes.

Principaux états :

Définition (Solide liquide gaz)

Ï unsolidepossède uneformeet unvolumepropre Ï unliquidepossède unvolumepropre

Ï un gaz remplit tout le volume qui lui est accessible

Liquides et solides sont desphases condensées, liquide et gaz sont desfluides.

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Caractéristiques

Ï pour une espèce chimique donnée (Fe par exemple) : un seul gaz (au delà de °C sous bar), un seul liquide (au delà de

°C sous bar)

Ï plus grande variété à l’état solide

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Caractéristiques

Ï pour une espèce chimique donnée (Fe par exemple) : un seul gaz (au delà de °C sous bar), un seul liquide (au delà de

°C sous bar)

Ï plus grande variété à l’état solide Définition (États solides)

Il existe des solides :

cristallin présentant un ordre à grande distance (taille macroscopique)

amorphe ne présentant qu’un ordre à courte distance (interatomique)

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Caractéristiques

Définition (États solides) Il existe des solides :

cristallin présentant un ordre à grande distance (taille macroscopique)

amorphe ne présentant qu’un ordre à courte distance (interatomique)

semi-cristallin cristallisation partielle de polymères

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Caractéristiques

Exemples :

cristallin les métaux, gemmes, sels, sucres, neige amorphe verres, de nombreux polymères (grandes

macromolécules : fibres animales/végétales, plastiques élastiques ou non) …

semi-cristallin pour certains polymères (polyéthylène), une fraction du solide est cristallisée, le reste est amorphe

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Caractéristiques

Définition (Variétés allotropiques)

Un même élément chimique pourra cristalliser dans plusieursvariétés allotropiquesdans lesquelles l’agencement spatial des atomes est différent.

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Caractéristiques

Définition (Variétés allotropiques)

Un même élément chimique pourra cristalliser dans plusieursvariétés allotropiquesdans lesquelles l’agencement spatial des atomes est différent.

Exemples :

Ï le graphite et le diamant sont deux variétés allotropiques du carbone

Ï deux variétés allotropiques du fer solide (Feαet Feγ)

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À l’échelle microscopique

pour unsolide

Ï forces d’interaction relativement intenses car les constituants sont proches (' )

Ï le solide est rigide et cohérent, compact et ordonné

Ï périodicité spatiale à grande échelle pour un solide cristallin Ï périodicité uniquement à petite échelle pour un solide amorphe

ou un polycristal

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À l’échelle microscopique

pour unliquide

Ï forces d’interaction aussi intenses car les constituants sont aussi proches (' )

Ï davantage d’agitation thermique : le liquide n’est plus rigide mais toujours cohérent

Ï le liquide est compact et désordonné

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À l’échelle microscopique

pour ungaz

Ï les distances intermoléculaires sont supérieures au cas des phases condensées: (dépendent beaucoup de et )

Ï les forces d’interaction seront beaucoup plus faibles : le gaz ne présente ni cohésion, ni rigidité

Ï pour ungaz parfait sous bar à K : distances intermoléculaires' *

Ï le gaz estdispersé et désordonné

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Autres états

il existe d’autres états, par exemple : Ï plasma (noyaux et électrons séparés)

Ï cristaux liquides : orientation des molécules à grande distance mais pas de rigidité intermoléculaire

Ï dégénérescence quantique quand la longueur d’onde de de Broglie devient comparable à la distance interparticulaire

Ï à très basse température : gaz (ÉµK) et liquides (⁴He sous K) Ï dans des systèmes très denses (naines blanches et étoiles à

neutrons tonne/cm · tonne/cm )

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1.2 Phases

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pour une même espèce chimique, ces différents états sont nommés phase: ils diffèrent par les valeurs de certains paramètres physiques qu’on nommeintensifs

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Grandeurs intensives et extensives

Définition (Système uniforme)

Un systèmeS est dituniformesi sa description à l’échelle macroscopique est identique en tout point .

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Grandeurs intensives et extensives

Définition (Système uniforme)

Un systèmeS est dituniformesi sa description à l’échelle macroscopique est identique en tout point .

Définition (Grandeur intensive/extensive) SoitS un systèmeuniforme.

Ï Une grandeur est diteextensivesi sa valeur _S est proportionnelle à la « taille » deS.

Ï Une grandeur est diteintensivesi sa valeur est indépendante de

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Grandeurs intensives et extensives

Ï Une grandeur est diteintensivesi sa valeur est indépendante de la « taille » deS.

Ï on accroît la « taille » d’un système d’un facteurλen multipliant son nombre de constituants (identiques pour un système uniforme) parλ, donc en multipliant son volume parλ

Ï longueur, masse, charge, volume, quantité de mouvement sont des grandeurs extensives

Ï pression, masse volumiqueρ, température , vitesse sont des grandeurs intensives

Ï masse n’est ni l’une ni l’autre

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Grandeurs intensives et extensives

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Grandeurs intensives et extensives

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Grandeurs intensives et extensives

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Grandeurs intensives et extensives

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Produit et quotient

Le quotient de deux grandeurs extensives est une grandeur intensive.

Ï = / Ï ρ= /

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Produit et quotient

Ï = /

Définition (Phase)

point)

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Phase

Définition (Phase)

Ï on ne considérera que des phasesuniformes( et ont la même valeur en tout point)

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Phase

Définition (Phase)

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Corps pur

Définition (Espèce chimique)

Uneespèce chimiqueest un assemblage d’atomes liés au niveau microscopique et désigné par une formule chimique.

Uncorps purest constitué d’une seule espèce chimique.

Uncorps pur simple(resp.composé) est constitué d’un seul (resp. de plusieurs) élément.

Une espèce chimique est la plus petite entité d’un corps pur présentant les mêmes propriétés chimiques.

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Corps pur

Ï He est une espèceatomique Ï H₂O est une espècemoléculaire

Ï Na⁺et Cl^–sont des espècesioniques(cation et anion respectivement) Ï NaCl_(s)est unsolide ionique

Ï [Cu(NH₃)₄²⁺] est uncomplexe Ï NO^•est une espèceradicalaire Ï le cristal Cu_s:un corps pur simple.*

Ï le cristal CuOH_2sd’hydroxyde de cuivre : uncorps pur composé.

Ï l’ion Cu²⁺en solution : une association de molécules de H₂O et d’ions Cu²⁺. on notera H O (solide) ; HO (liquide) ; HO (gazeux), on ne précisera pas

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Systèmes formés de plusieurs constituants chimiques

Systèmes polyphasés : cas général

Ï Différents constituants gazeux sontmisciblesformentune seul phase.

Ï Des constituants liquides différents formeront une seule ou plusieurs phases selon qu’ils serontmisciblesou non.

Ï Les solides qu’on rencontrera ne seront pasmiscibles.

Ï eau alcool sont infiniment miscibles

Ï eau et huile ne sont pas miscibles : ils peuvent former une émulsion(mélanges de très petites gouttes)

Ï des alliages (bronze : Cu et Sn par exemple) peuvent être considérés comme unesolution solide

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Systèmes formés de plusieurs constituants chimiques

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Systèmes formés de plusieurs constituants chimiques

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Systèmes formés de plusieurs constituants chimiques

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1.2 Phases

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Transformations physiques : diagramme ^,

L’état physique d’un corps pur dépend de deux paramètresintensifs: sa pression et sa température.

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Transformations physiques : diagramme ^,

L’état physique d’un corps pur dépend de deux paramètresintensifs: sa pression et sa température.

Plan ^,

Le diagramme( , )d’un corps pur représente le régionnement du plan , en :

Ï zonesd’existence exclusivedes phases : solide, liquide, vapeur, Ï délimitées par lescourbes de coexistence: courbe de

sublimation ↔ , fusion ↔ et vaporisation ↔ . On nomme :

Point triple le point d’intersection des trois courbes de coexistence.

La température et la pression y sont fixées,

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Transformations physiques : diagramme ^,

Ï il s’agit de changements physiques, l’espèce chimique reste la même

Ï les changements d’état inverse sont nomméscondensation, solidification,liquéfaction

Ï le diagramme permet de lire :

Ï la température de changement d’état à une pression donnée Ï la pression de changement d’état à une température donnée

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Transformations chimiques

Définition (Réaction chimique)

Uneréaction chimiqueconsiste en une modification des structures de plusieurs espèces chimiques nomméesréactifspour former d’autres espèces chimiques nomméesproduits.

Ï formations et ruptures de liaisons chimiques à l’échelle microscopique

Ï C + O₂ CO₂ Ï 2 O₃ 3 O₂

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Transformations nucléaires

Réaction nucléaire

Uneréaction nucléaireconsiste en une modification des noyaux des atomes y participant.

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Transformations nucléaires

Réaction nucléaire

Uneréaction nucléaireconsiste en une modification des noyaux des atomes y participant.

fission (induite) ²³⁵₉₂U +¹₀n ⁹²₃₆Kr +¹⁴¹₅₆Ba + 3¹₀n fusion ²H +¹H ³He +γ

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Transformations nucléaires

Échelles d’énergie :

physique vaporisation de l’eau consomme , kJ·mol⁻ chimique CH₄+ 2 O₂ CO₂+ 2 H₂O libère kJ·mol⁻ nucléaire ²H +¹H ³He +γlibère ^, · kJ·mol⁻

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Description physique d’un système Équation bilan

Avancements

1. États physiques et transformations de la matière 2. Évolution d’un système physico-chimique 3. Équilibres chimiques

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Avancements

Ï on étudie les changement de composition chimique dus à des réactions chimiques : il faut décrire la composition du système Ï on choisira des grandeurs différentes selon la nature physique de

l’espèce chimique

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Avancements

1. États physiques et transformations de la matière 2. Évolution d’un système physico-chimique 2.1 Description physique d’un système 2.2 Équation bilan

2.3 Avancements 3. Équilibres chimiques

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Avancements

Phases condensées (liquides/solides)

Nombre de moles

On mesure la quantité d’une espèce chimique enphase condensée par son nombre de moles

= =

avec la masse molaire et le volume molaire.

Ï rappel : mol= , · entités

Ï volume molaire de H₂O_(l): , mL·mol⁻ avec masse volumique , kg·L⁻

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Avancements

Phases condensées (liquides/solides)

Nombre de moles

On mesure la quantité d’une espèce chimique enphase condensée par son nombre de moles

= =

avec la masse molaire et le volume molaire.

Ï rappel : mol= , · entités

Ï volume molaire de H₂O_(l): , mL·mol⁻ avec masse volumique , kg·L⁻

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Avancements

Solution

Définition (Solvant et soluté)

On obtient unesolution aqueuseendissolvantdessolutésdans l’eau, qui joue le rôle desolvant.

Ladissolutionse compose de différentes étapes :

solvatation séparation, par les molécules du solvant, des

molécules du soluté. Celles-ci se retrouvent entourées de molécules de solvant (hydratées) puis dispersées.

dissociation éventuelle réaction chimique entre le solvant et les molécules du soluté.

Définition (Concentration d’un soluté)

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Avancements

Solution

Définition (Concentration d’un soluté)

On mesure la quantité d’un soluté à l’aide de saconcentrationdans le solvant :

= ,

Gaz

Ï en Pa ( bar= · Pa) et en m pour avoir en mol est la pression qu’il aurait s’il était seul, à la même

, bar

Ï on peut utiliser les symboles :

Ï pour souligner que l’évolution peut se faire dans les deux sens

Ï pour souligner que c’est un bilan « comptable » Ï les équations doivent êtreéquilibrées:

CO_2g+ 3 H₂O_solv 2 H₃O_aq⁺ + CO_3aq^2–

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Avancements

Exercice

On verse un volume = mL d’ammoniaque NH₃dans le même volume d’une solution de nitrate d’argent AgNO₃à la concentration

= , mol·L⁻ . On note la concentration de la solution d’ammoniaque.

Le volume total reste constant.

Les réactions qu’on peut observer dans ces conditions sont : NH_3(aq)+ H₂O NH₄⁺+ OH^–

Ag⁺+ NH_3(aq) [Ag(NH₃)]⁺ [Ag(NH₃)]⁺+ NH_3(aq)=[Ag(NH₃)₂]⁺

1 a Exprimer la conservation des quantités d’argent et des groupements NH₃et NO₃.

b Exprimer la conservation de la charge.

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Avancements

Correction

1 a

=[Ag⁺] + [Ag(NH₃)⁺] + [Ag(NH₃)₂⁺]

=[NH₃] + [NH₄⁺] + [Ag(NH₃)⁺] + 2 [Ag(NH₃)₂⁺] +[NH₄ ]=[NO₃^–] + [OH^–]

b [NH₄⁺] + [Ag(NH₃)⁺] + [Ag(NH₃)₂⁺] [OH^–] + [NO₃^–] 2 ≡[Ag(NH₃)⁺]=[Ag(NH₃)₂⁺]= , · ⁻ mol·L⁻ ,

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Avancements

Fastidieux

souvent, on pourra négliger l’effet detoutes les réactions sauf unesur la composition du système, on n’aura alors plus qu’un seul paramètre décrivant cette évolution

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Avancements

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Avancements

Définition

α + … + α β + … + β

État initial État ultérieur

Définition (Avancements)

Pour un système fermé, on définit :

l’avancementξ tel queξ= à l’instant initial et pour toute espèce chimique ^: ξ= _ν ,

l’avancement volumique =^ξ

le taux d’avancement τ=_ξ_max^ξ (pourξÊ ), où l’avancement maximal ξmaxÊ est la plus petite valeur positive deξannulant la quantité de l’un des réactifs.

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Avancements

Définition

α + … + α β + … + β

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Avancements

Définition

α + … + α β + … + β

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Avancements

Définition

α + … + α β + … + β

le taux d’avancement ^ξ (pour ), où l’avancement maximal

Description d’un système et évolution vers un état final

Description d’un système et évolution vers un état final

Description d’un système et évolution vers un état final

Différentes propriétés

Caractéristiques

Caractéristiques

Caractéristiques

Caractéristiques

Caractéristiques

Caractéristiques

À l’échelle microscopique

À l’échelle microscopique

À l’échelle microscopique

Autres états

Grandeurs intensives et extensives

Grandeurs intensives et extensives

Grandeurs intensives et extensives

Grandeurs intensives et extensives

Grandeurs intensives et extensives

Grandeurs intensives et extensives

Grandeurs intensives et extensives

Produit et quotient

Produit et quotient

Produit et quotient

Phase

Phase

Phase

Phase

Phase

Phase

Phase

Phase

Corps pur

Corps pur

Systèmes formés de plusieurs constituants chimiques

Systèmes formés de plusieurs constituants chimiques

Systèmes formés de plusieurs constituants chimiques

Systèmes formés de plusieurs constituants chimiques

Transformations physiques : diagramme ,

Transformations physiques : diagramme ,

Transformations physiques : diagramme ,

Transformations chimiques

Transformations nucléaires

Transformations nucléaires

Transformations nucléaires

Phases condensées (liquides/solides)

Phases condensées (liquides/solides)

Solution

Solution

Gaz

Gaz

Gaz

Gaz

Gaz

Gaz

Gaz

Évolution en réacteur fermé

Évolution en réacteur fermé

Évolution en réacteur fermé

Évolution en réacteur fermé

Coefficients stœchiométriques

Coefficients stœchiométriques

Un bilan macroscopique

Exercice

Correction

Fastidieux

Définition

Définition

Définition

Définition

Transformations physiques : diagramme ^,

Transformations physiques : diagramme ^,

Transformations physiques : diagramme ^,