Thermodynamique chimique – Chapitre 1 : Étude des systèmes

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Lycée Hoche – BCSPT1A – A. Guillerand
Thermodynamique chimique – Chapitre 1 : Étude des systèmes siège d’une transformation chimique Page 1
Thermodynamique chimique  Chapitre 1 : 
transformation chimique
I. Modélisation de la transformation chimique
1. Modélisation
2. 
3. 
4. Avancement maximal et réactif limitant
5. 
II. Quotient de réaction
1. -chimique
2. Quotient de réaction
3. Domaine de variation du quotient de réaction (pour les systèmes homogènes)
III. Critère d’équilibre et d’évolution : loi de Guldberg et Waage
1. 
2.  : loi de Guldberg et Waage
3. Calcul de  à partir de réactions référencées
4. 
5. Systèmes homogènes : équilibre toujours atteint
IV. Détermination du système final par calcul approché : méthode par hypothèse
1. Présentation générale des hypothèses
2. Réaction très peu avancée
3. Réaction très avancée
4. Attention aux conclusions hâtives
V. Pour aller plus loin : cas des systèmes hétérogènes (programme de 2ème année)
1. Domaine de variation du quotient de réaction pour les systèmes hétérogène
2. Systèmes hétérogènes 
Extrait des programmes de seconde, 1ère S et TS
Notions
Capacités exigibles
Système chimique, Réaction chimique.
Écriture symbolique de la réaction chimique :
équation de la réaction chimique.
Décrire un système chimique et son évolution.
    réaction chimique avec les nombres
Réaction chimique    
.
.
.
.
Utiliser les symbolismes ,  et  
chimiques pour rendre compte des situations observées.
Extrait du programme de BCPST 1
Notions
Capacités exigibles
Avanc  
chimique.
Degré .
Activité ; quotient de réaction.
Évolution et équilibre.
.
être un support à la 

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I. Modélisation de la transformation chimique
1. Modélisation
a. Système physico-chimique
Définition :
Un système physico-chimique correspond à un ensemble de constituants physico-
chimiques susceptibles      
    chimiques). Ce système est supposé fermé sans
échange de matière avec le milieu extérieur.
Considérons une enceinte fermée
contenant du dihydrogène, du
.
Le système est donc :
Les espèces physico-chimiques sont modélisées par leur symbole chimique, associé à
leur état physique (solide, liquide, gaz ou solvaté).
b. Transformation chimique et équation de réaction
Définition :
Une transformation chimique est une transformation qui, -
chimiques appelées réactifs, conduit à la formation de nouvelles espèces physico-
chimiques, appelées produits.
Une analyse fine du système
précédent montre que lorsque deux
molécules de  apparaissent,
alors simultanément, une molécule
de  disparaît et trois molécules
de  disparaissent.
 :
La phrase précédente est toujours
vraie si on multiplie les nombres
quel nombre, en particulier par  :
deux moles de  apparaissent,
ce qui entraîne simultanément, la
disparaît et de trois moles de .
   !) de
système peut tout aussi bien être
décrite par :
Exercice d’application 1
On constate que pour toute transformation chimique les quantités de matière de
chaque espèce chimique évolue en respectant des proportions particulières. On
modélise cette transformation par une équation de réaction.
2. Stœchiométrique d’une transformation chimique et nombres
stœchiométriques
a. Notion de stœchiométrie
réactifs et les quantités de matière formées des produits dépendent les unes des autres.
  quation de réaction traduit une loi de conservation de la matière
charge globale).
Définitions :
On appelle stœchiométrie les relations de proportionnalité qui existent entre les
quantités de matière consommées des réactifs et entre les quantités de matière formées
        nombres stœchiométriques
- Plusieurs équations de réaction peuvent modéliser une même
transformation chimique.     
naturels les plus petits possibles.
- 
quantité de matière introduite initialement dans le système. La
       pour , mais la
quantité introduite peut très bien donner une proportion
différente 
défaut.

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3. Avancement de réaction et taux d’avancement
a. Définition de l’avancement de réaction
Soit un système physico-
réaction suivante : , noté , avec :
-  les réactifs de la réaction,  les produits de la réaction,
-       ,  les nombres
On note :
- , la quantité de matière du réactif  à un instant quelconque de la transformation,  la
quantité de matière du réactif  à un instant quelconque de la transformation,
- , la quantité de matière du réactif  introduit initialement, , la quantité de matière
du produit  introduit initialement.
Définition :
      de la réaction     
 de réaction, noté  (ksi) de la manière suivante :
 :
b. Tableau d’avancement
quantités de matières des réactifs et des produits de
Équation
État
Avanc.
Quantités de matière (mol)
initial
quelconque
final

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c. Remarque très importante
 dépend du choix d’écriture de l’équation de réaction
 dépend des nombres stoechiométriques utilisés pour modéliser la transformation.  dépend de la
façon dont on a écrit -à-
pas de la modélisation du système !
Par exemple, si le système est un mélange de dihydrogène H2(g) et de dioxygène O2
2O(). On peut donc modéliser la transformation de
deux façons différentes :
système, mais sont différentes. Elles ont chacune un avancement, notés  et . On a 
équation de réaction :
Équation
État
Avanc.
Quantités de matière (mol)
initial
quelconque
Équation
État
Avanc.
Quantités de matière (mol)
initial
quelconque
Les quantités de matière ne dépendent pas du choix de la modélisation. On en déduit donc que
.
4. Avancement maximal et réactif limitant
Définitions : réaction totale et avancement maximal
Une réaction est totale            
final atteint est alors appelé avancement maximal noté .
Définition : réactif limitant
Exercice
d’application 2
on cherche la valeur la plus basse de  
quantités de matière des réactifs soit nulle, les autres restant positives ou nulles. On en déduit le
réactif limitant.
Définition : taux d’avancement ou degré d’avancement
On définit le taux  :
prendre des valeurs comprises entre et  (       ;  : la réaction est
totale ou quantitative).

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5. Avancement à l’équilibre
Les réactions chimiques ne sont pas forcément totales, mais peuvent atteindre un état
  -à-        
 :  .
Notion d’équilibre dynamique :
dynamique, la réaction chimique est
dite renversable :
égale à la vitesse de production des réactifs : ainsi les quantités de matières des espèces restent
constantes.
On utilise le symbole 
 et vaut :
Définitions :
 si   alors la réaction est totale ou quantitative (symbole )
 si   alors la réaction est dite quasi-quantitative ou quasi-totale, ou encore très
avancée (symbole  ou )
 si   alors la réaction est dite très peu avancée (symbole  )
6. Avancement volumique  ou 
Pour les réactions en solution, la concentration molaire volumique, plus souvent appelée
concentration, est une grandeur plus intéressante à manipuler que les quantités de matière
, dans une solution de volume V, on la définit par :
Sa dimension en unités de base est donc dim[X] = . Donc son unité en système
international est mol.m33
aussi noté mol. (1L = 1dm3).
Définition :
 ou x, par :
-à-dire dim = .
Ainsi, dans le cas où tous
les constituants physico-
chimiques sont en
solution, on écrit un
volumique : en utilisant
les concentrations et non
les quantités de matière.