Chapitre I Généralités sur les réactions en solution Description d’un système et évolution vers un état final

INPHB/CPGE/ Cours destiné aux étudiants de MPSID année 2022-2023
Chapitre I: Généralités sur les réactions en solution. Kouadio Brou [e-mail]
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Chapitre I : Généralités sur les réactions en solution :
Description d’un système et évolution vers un état final
1 États physiques et transformations de la matière
1.1 États de la matière
● Dans un solide, les particules sont liées les unes aux autres. Elles forment un ensemble condensé et
ordonné. Elles ne peuvent que légèrement s'agiter sur place sans pouvoir se déplacer les unes par
rapport aux autres. Cela explique le fait que les solides aient une forme propre.
◊ Solides cristallins : constitués d’une répétition quasi-parfaite de l’arrangement des atomes dans les
3 directions de l’espace.
◊ Solides amorphes correspondant à un état liquide figé et pour lesquels l’ordre à longue distance
n’existe pas.
NB : La classification des solides cristallins repose sur la nature des liaisons qui assurent la cohésion
de l’assemblage d’atomes, de groupes d’atomes ou d’ions. On distingue alors quatre grandes familles
de cristaux :

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- Les cristaux métalliques sont formés d’atomes métalliques et la liaison est de type métallique1.
Exemples : cuivre, sodium, or etc.
- Les cristaux ioniques sont formés d’ions. À l’état solide, ces composés s’avèrent de très mauvais
conducteurs de l’électricité alors qu’ils constituent de bons conducteurs en solution. Exemples : NaCl,
CsCl, Cu2O etc.
- Les cristaux covalents où les atomes sont liés par des liaisons covalentes. Ce sont des cristaux
extrêmement durs et solides. Exemples : carbone diamant, silicium, germanium etc.
- Les cristaux moléculaires sont des corps simples ou composés où les molécules sont associées par
des liaisons de Van der Waals. La cohésion de ce type de cristaux est faible.
Exemples : gaz nobles solides, sucre, diiode, glace d’eau, cristaux organiques etc.
- Variétés Allotropiques : Lorsqu’un corps pur peut exister sous plusieurs variétés cristallines. (Ces
variétés sont dans le même états physiques)
● Dans un liquide, les particules forment un ensemble condensé et désordonné. Elles restent proches
mais peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres. Cela explique le fait que les liquides coulent
et prennent la forme du récipient qui les contient. Dans la pratique, ils sont considérés comme
incompressibles.
● Dans un gaz, les particules forment un ensemble dispersé et très désordonné. Elles sont très éloignées
les unes par rapport aux autres et animées d'un mouvement incessant en tous sens, d'autant plus
important que la température est plus élevée. Cela explique que les gaz soient compressibles, occupent
tout le volume qui leur est offert (élasticité) et n’aient pas de forme propre.
● Notion de phase : Pour un corps donné à une pression fixée selon la valeur de la température il
existe dans différents états qui constituent des phases (phase solide ; liquide et gazeuse).
En général pour les masses volumiques :
ρsolide > ρliquide > ρgaz
A l’exception pour l’eau ρglace < ρeau
1.2 Transformations la matière
● Une transformation physique ne change pas la nature ni les propriétés caractéristiques de la matière.
Les atomes et les molécules ne changent pas.
(Les déformations ; les dissolutions ; les changements de phases)

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● Une transformation chimique où réaction chimique change la nature et les propriétés caractéristiques
de la matière. Les atomes ne changent pas mais sont réassemblés en de nouvelles molécules.
(Les synthèses ; Les oxydations ; Les décompositions ; Les précipitations)
● Une transformation nucléaire où réaction nucléaire implique la réorganisation du noyau atomique
(neutrons et protons). Les atomes eux-mêmes changent.
(La fusion nucléaire ; La fission nucléaire)
NB : il y a conservation de quantité de matière et de la charge.
1.3 Diagramme d’état (P ;T) pour les transformations physiques
Le changement d'état d'un corps pur est provoqué par une modification de sa pression, de sa
température et/ou de son volume. Il est possible de représenter les états et les changements d'état sur
un diagramme de phase tridimensionnel (P, V, T) ; en effectuant des projections de ce diagramme sur
différents plans, on obtient les diagrammes bidimensionnels (P, T) et (P, V).
- lignes de transition : vaporisation, sublimation, liquéfaction
- coexistence le long des lignes
- point triple (Tfr)
- point critique C et fluide supercritique au-delà
- attention aux pentes des lignes : liquéfaction glace-eau.
2 DESCRIPTION D’UN SYSTEME PHYSICO-CHIMIQUE
2.1 Notion de constituant physico-chimique
Une espèce chimique est un corps simple ou composé que l’on désigne par sa formule chimique. A
ce stade, l’état physique n’est pas précisé
Exemples : Un atome de carbone C, un atome de cuivre Cu ou encore une molécule de diiode I2
sont des corps simples car constitués d’un seul type d’élément. En revanche, le dioxyde de carbone
CO2 et la fluorine CaF2 sont des corps composés car constitués de plusieurs éléments différents.
Un constituant physico-chimique est une espèce chimique dont l’état physique (solide, liquide ou
gazeux) est précisé entre parenthèses.

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Exemples : la carboglace CO2(s), la vapeur d’eau H2O(g), le mercure liquide Hg(l), réputé pour
sa grande toxicité, les ions chlorure en solution dans l’eau Cl-(aq)…
Le système, objet de l’étude, est constitué de matière. Il peut être composé d’un ou de plusieurs
constituants physico‐chimiques délimités du milieu extérieur par une surface fermée.
Une phase est une région de l’espace dont l’aspect macroscopique est le même en tout point.
Exemples :
• L’air contenu dans un ballon sphérique, de volume constant, est une phase gazeuse uniforme
constituée d’un mélange de gaz (80% de N2(g) et 20% de O2(g)).
• Le cyclohexane et l’eau ne sont pas miscibles : dans un bécher le cyclohexane se trouvera
au‐dessus de l’eau car il est moins dense. Il y a deux phases.
2.2 Paramètres descriptifs de la composition d’un système
a) Grandeurs extensives, intensives
Un système physico-‐chimique est décrit par des variables d’état intensives ou extensives.
Une variable extensive est proportionnelle à la quantité de matière ; elle est définie pour l’ensemble
du système. Une variable intensive est indépendante de la quantité de matière ; elle est définie en
chaque point du système (variable locale)
EXERCICE 1. Identifier les variables intensives ou extensives dans l’ensemble des variables
suivantes : volume/température/masse/pression ?
b) Description de la composition d’une phase.
3 TRANSFORMATION CHIMIQUE : EVOLUTION ET EQUILIBRE
3.1 Avancement d’une réaction chimique ξ

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L'avancement de réaction permet de caractériser l'état d'avancement d'une réaction
entre son état initial (avant réaction) et son état final (après réaction).
L'avancement de réaction est noté par la lettre grecque ξ (ksi) et est défini par :
où
3.2 Evolution d’un système chimique
Au cours d’une transformation chimique, le système évolue d’un état initial EI vers un état final
EF. Les quantités de matières des constituants varient. Lorsque le système cesse d’évoluer, on dit
que l’état final est atteint.
Si, dans l’état final, les réactifs et les produits de la réaction coexistent, alors il s’agit d’un état
d’équilibre chimique.
Les variations des quantités de matières lors de l’évolution peuvent être liées entre elles par
l’avancement ξ.
Exercice 2 : Un système contient initialement 0,1 mol de diazote N2 gazeux et 0,1 mol de
dihydrogène H2 gazeux. On y observe la réaction suivante : N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g). Etablir un
tableau d’avancement.
L’avancement maximal ξmax est la valeur maximale que peut prendre l’avancement. Il correspond à
la consommation totale du réactif limitant.
Exercice 3 : Déterminer l’avancement maximal ξmax de l’exemple ci‐dessus.
Si tous les constituants sont en solution et que le volume de solvant reste constant, on peut
directement utiliser un tableau d’avancement en mol. L-1. On note x l’avancement volumique (en
mol.L-1).