Document

Chapitre 3
La transformation chimique et sa modélisation
1-Les objectifs du chapitre
Ce que je dois connaître
Ce que je dois savoir faire
•La modélisation d'une transformation par une ou plusieurs réactions chimiques.
•les notions d'équation de réaction, constante thermodynamique d'équilibre.
•Les notions d'avancement, activité, quotient réactionnel dans le cas d'une
transformation modélisée par une seule réaction chimique.
•les critères d'évolution spontanée d'un système en transformation chimique.
•Savoir écrire l'équation de la réaction qui modélise une transformation chimique
•Savoir décrire qualitativement et quantitativement un système chimique dans l'état
intial ou dans un état d'avancement quelconque.
•Savoir exprimer l'activité d'une espèce chimique pure ou dans un mélange
•Savoir exprimer le quotient réactionnel
•Savoir prévoir le sens d'évolution spontanée d'un système chimique
•Savoir identifier un état d'équilibre chimique et déterminer la composition chimique
du système dans l'état final (cas de réaction équilibrée et cas de réaction totale)
2-Je maîtrise l’essentiel du chapitre
I-Transformation chimique et sa modélisation
Transformation chimique
réaction chimique
équation de réaction
•Une transformation chimique fait évoluer un système physico-chimique pris dans un état initial
vers un état final dépendant des conditions expérimentales imposées.
•Une réaction chimique est un modèle qui rend compte de l'évolution macroscopique du système
lors de la transformation chimique c'est à dire le passage des réactifs aux produits.
•L'équation-bilan est une écriture symbolique associée à la réaction qui peut se mettre sous la
forme ci-dessous:
0 = ∑𝒊 𝝂𝒊 𝑩𝒊
𝝊𝒊 :positif si Bi produit ; négatif si Bi réactif.
On signale en indice l’état physique des espèces intervenant : (g) constituant gazeux, (s) pour un solide, (l) pour un
liquide et (aq) pour un soluté dans le solvant eau.
II-Quotient de réaction et activité
a-Expression du quotient de réaction
Pour un système siège d’une réaction d’équation :aA +bB = cC + dD le quotient de réaction Qr (grandeur sans
dimension caractérisant l’état du système) est :
Q=
(𝒂(𝑪))𝒄 .(𝒂(𝑫))𝒅
(𝒂(𝑨))𝒂 .(𝒂(𝑩))𝒃
où a(A),a(B),a(C),a(D) sont respectivement les activités de A,B,C,D.
Avec l’équation sous forme algébrique : ∑𝒊 𝝊𝒊 𝑨𝒊 = 𝟎
𝑸𝒓 = ∏ 𝒂(𝑨𝒊 )𝝊𝒊
𝒊
Où les a(Ai) sont les activités des diverses espèces chimiques et 𝝊𝒊 :positif si Bi produit ; négatif si Bi réactif.
b-Expressions des activités
Nature du constituant
Constituant Ai sous forme solide ou liquide
pur
Solvant (ex : eau pour solution aqueuse)
Soluté en solution diluée (c < 5.10-2 mol.L-1)
Expression des activités
a(Ai) = 1
a(H2O) = 1
[𝑿]
a(X) = 𝒐
𝒄
o
-1
oùc = 1,00mol.L et [X] est la concentration du soluté en mol/L
pour un gaz supposé parfait dans un mélange:
a(X) = P(X)/P°
Où P° = 1,00 bar et P(X) pression partielle de X (même unité que P°) ;
-pour une solide X ou un liquide X seul dans
leur phase, c'est-à-dire purs
a(X) = 1,00
III-Evolution spontanée d’un système
a-Equilibre chimique
Un système est dans un état qu’équilibre chimique si T,P, et 𝝃 sont constantes et uniformes dans chaque phase du
système (à l’équilibre chimique : 𝝃 = 𝝃𝒆 )
b-Constante d’équilibre
Lors de l’évolution spontanée du système, le quotient de réaction Qr tend vers la constante d’équilibre K°(T),
caractéristique de l’équation de réaction, et qui ne dépend que de la température :
Qéq= K°(T)= ∏𝒊(𝒂𝒊,𝒆𝒒 )𝝂𝒊
L’expression de K°(T) en fonction des activités à l’équilibre est appelée loi de Guldberg et Waage (ou loi d’action des
masses)
c-Sens d’évolution spontanée d’un système chimique
Pour les réactions conduisant à un équilibre à l’état final, si :
 Q<K°, le système tend à évoluer dans le sens direct ou sens 1
 Q>K°, le système tend à évoluer dans le sens inverse ou sens 2
 Q=K, le système initial correspond à un état d’équilibre et il n’y a pas d’évolution.
Remarque : l’équilibre chimique est un équilibre dynamique.
IV-Avancement d’une transformation chimique
a-Avancement
Avancement molaire (ou avancement)
L’avancement 𝝃 (grandeur extensive, en mol) permet d’écrire l’état du système au cours de la transformation chimique.
L’avancement est nul dans l’état initial et évolue jusqu’à une valeur 𝝃𝒇 (avancement final de la transformation lorsque
le système n’évolue plus macroscopiquement).
L’avancement dépend de l’écriture de l’équation- bilan car défini à partir des 𝝂𝒊 :
𝝃positif⇒ la réaction évolue dans le sens direct, si négatif ⇒ sens indirect.
Avancement volumique
Si le volume du système est constant, on définit l’avancement volumique :
𝝃𝒗 =
𝝃
𝑽
avancement volumique en mol.L-1.
b-Tableau d’avancement
Un tableau d’avancement permet de faire le bilan de matière de la transformation chimique dans le
système étudié.
La quantité de matière d’un constituant Ai, de nombre stoechiométrique algébrique 𝝂𝒊 , vaut à un instant
( t)quelconque dans le système:
𝒏𝑨𝒊 (𝒕) = 𝒏𝑨𝒊 (𝒕 = 𝟎) + 𝝂𝒊 . 𝝃
Présentation du tableau d’avancement
Equation
bilan
- 𝜶𝟏𝑨𝟏
t=0 (EI)
n1(0)
𝜶𝟐𝑨𝟐
n2(0)
+……. =
𝜶′𝟏𝑨′𝟏
n’1(0)
+
𝜶′𝟐𝑨′𝟐
+ ……
n1(0)
t
n1(0)- 𝜶1𝝃
n1(0)- 𝜶1𝝃
n’1(0)+𝜶′1𝝃
n’2(0)+𝜶′’2𝝃
(quelconque)
Remarque : le tableau peut être en avancement molaire ou en avancement volumique.
V-Etat final d’un système chimique
a-Etat final : définition
L’état final du système est atteint lorsque le système n’évolue plus à l’échelle macroscopique.
b-Deux cas
Transformation totale :
La transformation est totale si elle s’achève lorsque l’on a consommation totale d’un des réactifs (le réactif limitant).
Dans ce cas, l’avancement 𝝃 augmente jusqu’à atteindre la valeur maximale 𝝃𝒎𝒂𝒙 imposé par les quantités de matière
introduites dans l’état initial.
Transformation limitée (non totale, ou équilibrée)
Une transformation est limitée lorsque l’avancement final 𝝃𝒇 n’atteint pas la valeur maximale 𝝃𝒎𝒂𝒙 .
L’évolution macroscopique du système s’arrête quand bien même aucun réactif des réactifs n’a totalement disparu.
L’état final est dans ce cas un état d’équilibre, où réactifs et produits coexistent.
Caractère total ou limité
Le caractère total ou limité d’une transformation dépend de la composition initiale du système et de la valeur de la
constante d’équilibre associée à l’équation de réaction.
3-Je sais comment décrire l’évolution d’un système chimique
Fiche méthode 1-Comment prévoir le sens de l’évolution spontanée d’un système ?
sens d'évolution spontanée
d'un système
•Pour connaitre le sens d'évolution spontanée du système à un instant t, il faut comparer
le quotient de réaction à cet instant par à la constante d'équilibre K°(T) de la réaction.
On procède ainsi:
• -Calculer le quotient de réaction Qr à l'instant considéré.
•-Si Qr < K°(T), le système évolue dans le sens direct de l'équation de réaction (de la
gauche vers la droite)
•-si Qr > K°(T), le système évolue dans le sens indirect de l'équation de réaction (de la
droite vers la gauche)
•-si Qr = K°(T), le système est à l'équilibre, il n'y a pas d'évolution.
Fiche méthode 2-Comment établir le tableau d’avancement d’une transformation ?
Etablissement du tableau
d'avancement
• Calculer les quantités de matière des espèces présentes dans l'état initial.
• Dans un tableau faire figurer dans la première ligne l'équation-bilan de la
réaction.
• indiquer dans la deuxième ligne la composition du système dans l'état initial;
• exprimer les quantités de matière en fonction de l'avancement à un instant t
dans une troisième ligne.
• exprimer les quantités de matière en fonction de l'avancement final dans l'état
final de la transformation dans une quatrième ligne.
• Remarque: le tableau peut être sous forme littérale ou numérique, exprimé en
fonction de l'avancement molaire ou l'avancement molaire volumique.
Fiche méthode 3- Comment déterminer la composition d’un système dans l’état final ?
Composition finale du
système
•-Si la transformation est totale (on considère que en général que c'est le cas si K°(T) > 104),
déterminer le réactif limitant de la transformation. On calcule pour cela la valeur de
l'avancement qui annule la quantité de matière finale de chacun des réactifs: l'avancement
maximal est la plus petite de ces valeurs.
•on en déduit alors les quantités de matière finales de tous les constituants du système.
•On vérifie la cohérence des résultats avec l'hypothèse d'une transformation totale.
•si la transformation n'est pas totale, exprimer la constante d'équilibre associée à l'équation de
réaction en fonction des activités des réactifs et produits à l'équilibre puis en fonction de
l'avancment final. Résoudre l'équation correspondante pour déterminer la valeur de
l'avancement final.
•En déduire alors les quantités de matière finales de tous les constituants du système.
4-Pour bien réussir ma question de cours à ma colle de chimie
1-Définir la notion de réactif limitant (ou en défaut) ?
2-Expliciter l’activité chimique d’un constituant physico-chimique dans les différents cas rencontrés.
3-Définir la constante thermodynamique d’équilibre pour équation-bilan générale écrite sous sa forme algébrique.
4-Comment prévoir l’évolution d’un système physico-chimique ?