Critère d`évolution spontanée

Lycée J-B Schwilgué - SELESTAT
GROSSHENY L.
Terminale S
Chapitre 7 Le sens d’évolution d’un système est-il prévisible ?
I. Quelle est l’utilité du quotient de réaction Qr ?
Exemple d’une réaction d’oxydoréduction
On étudie la réaction mettant en jeu les couples redox :
 ion cuivre II / cuivre métallique Cu
2+
/ Cu
 ion fer II / fer métallique Fe
2+
/ Fe
Sans préjuger du sens dans lequel se déroule la transformation, l'équation de la réaction s'écrit :
)(Fe(s)Cu (s) )(
22
aqFeaqCu
++
+=+
Constante d'équilibre associée à cette équation 5,26
f
2f
2
10
]Cu[
]Fe[
K==
+
+
Que se passe-t-il si on mélange Cu2+ et Fe ? Fe2+ et Cu ?
Expérience n°1 de la limaille de fer dans une solution de sulfate de cuivre II
0
]Cu[
]Fe[
Q
0
20
2
init r
==
+
+
donc Q
r
< K (0 → 10
26,5
)
Observation : Le filtrat passe de la couleur bleue au vert très pâle. Le fer se recouvre d’un dépôt.
Il se produit la réaction d’équation )aq(Fe(s)Cu (s) Fe)aq(Cu
22 ++
+→+
 le sens spontané de la transformation est le sens direct
Expérience n°2 on ajoute au mélange précédent des ions fer II.
donc Q
r
> K
Observation : La solution devient bleue.
Expérience n°3 une lame de cuivre dans une solution de sulfate de fer II
∞==
+
+
0
20
2
init r
]Cu[
]Fe[
Q donc Q
r
> K (∞ → 10
26,5
)
Observation : On ne perçoit aucune évolution. La transformation inverse n’est pas observable.
Il suffit qu'il se forme une quantité infinitésimale d’ions Cu
2+
pour que Q
r
devienne égal à
K. La transformation spontanée est donc quasi inexistante dans le sens inverse.
 le sens spontané de la transformation est le sens inverse
Résumé
Q
r
K
Q
r init
> K Q
r init
< K
Q
r init
Q
r init

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GROSSHENY L.
II. Prévision de l’évolution d’un système chimique.
- En disposant de l'équation d'une réaction, donner l'expression littérale du quotient de réaction Qr , et calculer sa valeur
dans un état donné du système.
- Savoir qu'un système évolue spontanément vers un état d'équilibre.
1. Rappel de la définition du quotient de réaction.
aA
(aq)
+ bB
(aq)
= cC
(aq)
+ dD
(aq)
Qr = [A]a.[B]b
[C]c.[D]d
Seules sont représentées les espèces dissoutes en solution, ce qui exclut les solides, les précipités, les gaz non
dissous et le solvant souvent l'eau. Qr est sans unité.
A l'équilibre, Q
r éq
= K (constante d'équilibre).
2. Critère d’évolution spontanée.
L'observation expérimentale du sens d'évolution de plusieurs systèmes chimiques permet de dégager un critère
général d'évolution spontanée :
Au cours du temps, la valeur du quotient de réaction Qr tend vers la constante d'équilibre K .
3 situations peuvent être envisagées : Qr < K Qr > K Qr = K
Remarquons, que ce critère d'évolution spontanée ne prenant pas en compte l'aspect cinétique de la
transformation étudiée, il est possible de ne pas observer l'évolution du système que ce critère prévoit si la
vitesse de réaction est trop lente.
Q
r,i
< K : le sens spontané de la transformation est
le sens direct ; la transformation s’accompagne
spontanément Ide la consommation des réactifs et
de la formation des produits.
Q
r,i
> K : le sens spontané de la transformation est
le sens inverse ; la transformation s’accompagne
spontanément de la formation des « réactifs » et de
la consommation des « produits ».
Il existe un état singulier du système pour lequel :
Q
r,i
= Q
r,éq.
= K ; le système n’évolue pas
macroscopiquement ; l’état d’équilibre du système
est atteint
III. Illustration du critère d’évolution spontanée
- Etre capable de déterminer le sens d'évolution d'un système donné en comparant la valeur du quotient de réaction
dans l'état initial à la constante d'équilibre, dans le cas de réactions acido-basiques et d'oxydoréduction.
1. Y-a-t-il formation de diiode ?
Expérience 1.
On mélange uns solution d’iodure de potassium et une solution de chlorure de fer III.
On obtient une solution brune – orangée.
1. Ecrire l’équation d’oxydoréduction de la transformation. Fe
3+
/ Fe
2+
et I
2
/ I
-
.
2. Donner l’expression du quotient de réaction correspondant.
On ajouté à la solution précédente de la soude. On obtient un précipité orange (les ions fer IIII ont
réagis avec les ions hydroxydes selon le schéma Fe
3+
+ 3 OH
-
= Fe(OH)
3
).
3. Que peut-on prévoir de la concentration [Fe
3+
] ? du quotient de réaction de la transformation
en diiode ?
4. Prévoir le sens spontané de la réaction après ajout de soude.
Expérience : montrons le sens d’évolution de la transformation.
pas d’évolution macroscopique du système
Q
r,i
=
K
sens d’évolution du système
Q
r,i
sens d’évolution du système
Q
r,i
K

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L'équation de la réaction d'oxydoréduction s'écrit : 2 Fe
3+
+ 2 I
-
= 2 Fe
2+
+ I
2
Le quotient de réaction Qr associé à cette réaction est Qr =
]² -I [ ]²[Fe3 ] I2 [ . ]² [Fe2+
+
Comme Fe3+ réagit avec la soude, la concentration en ion fer III diminue et Qr augmente.
On constate que Qr est plus grand que K, donc le système évolue dans le sens indirect de la réaction, vers la
formation d’ion iodure et d’ions fer IIII.
2. Que se passe-t-il lors d’une dilution d’un acide ?
Expérience 2.
On a préparé 50 mL de solution d’acide éthanoïque de concentration 0,01 mol/L dans un bécher.
1. Ecrire l’équation de la réaction entre l’acide éthanoïque et l’eau.
2. Donner l’expression du quotient de réaction correspondant.
3. Si on ajoute 50 mL d’eau afin de réaliser une dilution, que peut-on dire du quotient de réaction
avant que la dilution ne se réalise.
4. A partir du quotient de réaction, que peut-on prévoir du sens d’évolution spontané de la
réaction lors de la dilution ?
H
2
O (liq) + CH
3
COOH (aq) = H
3
O
+
(aq) + CH
3
COO
-
(aq)
Le quotient de réaction Qr associé à cette réaction est : Qr =
[CH3COOH] ] - .[CH3COO ] H3O [
+
Si on ajoute 50 mL d’eau, les concentrations sont divisées par deux donc Qrdilué =
2
K
.
On constate que Qr est plus petit que K, donc le système évolue dans le sens direct de la réaction, vers la
formation d’ion éthanoate.
3. Mélanges d’ions métalliques et de métaux.
Expérience 3.
On mélange 20 mL d'une solution de sulfate de cuivre à 0,1 mol.L-1 avec une solution de sulfate de
zinc à 0,1 mol.L
-1
et on y plonge une lame de cuivre et une lame de zinc.
1.
Ecrire l’équation d’oxydoréduction de la transformation.
2. Donner l’expression du quotient de réaction correspondant.
3. Sachant que la constante d’équilibre de la réaction entre l’ion cuivre et le métal zinc est
K = 4,6.10
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, déterminer le sens d’évolution spontané de la transformation.
L'équation de la réaction d'oxydoréduction s'écrit : Zn (s) + Cu
++
(aq) = Zn
++
(aq) + Cu (s)
Le quotient de réaction Qr associé à cette réaction est :
Dans notre cas : Qr = 1.
On constate que Qr est plus petit que K, donc le système évolue dans le sens direct de la réaction, vers la
formation de cuivre (ce que l’on constate expérimentalement) .