QCM N° 07 Sens d'évolution spontanée d'un système chimique

QCM N° 07

Sens d'évolution spontanée d'un système chimique.

La transformation non totale.

L’évolution spontanée d’un système

Le transfert spontané d’électrons.

AIDE

Pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).

Énoncé

On mélange 1 mol d’ions

fer II Fe²⁺ (aq) et 2 mol

d’ions argent Ag⁺ (aq).

On obtient 0,80 mol

d’ions fer III Fe³⁺ (aq).

Donnée :

Fe²⁺ (aq) + Ag⁺ (aq)

Fe³⁺ (aq) + Ag (s)

transformation

est non totale

transformation

est modélisée

par deux

réactions

opposées

l’une de l’autre.

transformation

est totale

Le taux d’avancement

final de la réaction

décrite en 1. vaut :

réponse A

réponse B

τ = 80 %

À l’état d’équilibre de la

transformation décrite

en 1. :

v_app (Fe³⁺)

v_disp (Fe³⁺)

Microscopiquement

il n’y a plus

de réaction

Le système

chimique

n’évolue plus

Le quotient de la

réaction Q_r :

S’exprime en

mol . L^–1

Dépend de

l’écriture de

l’équation de

la réaction

Varie au

cours de la

transformation

Soit l’équation :

Cu²⁺ (aq) + 2 Ag (s)

Cu (s) + 2 Ag⁺ (aq)

Le quotient de réaction

associé s’écrit :

réponse A

réponse B

réponse C

Soit l’équation :

CH₃CO₂H (aq)

+ H₂O (ℓ)

CH₃CO₂^– (aq)

+ H₃O⁺ (aq)

À 25 ° C, la constante

d’équilibre associée

est K = 6,3 × 10⁴.

Le quotient de réaction

à l’état initial Q_r,i d’un

système est égal à

3,0 × 10⁵.

transformation

évolue dans

le sens direct

de l’équation.

transformation

évolue dans

le sens inverse

de l’équation.

transformation

n’évolue pas

car l’état

d’équilibre est

atteint.

Lors de son fonctionnement,

la pile décrite ci-dessous :

Évolue par

transfert direct

des électrons

entre ses

réactifs.

Évolue vers

un état

d’équilibre.

Évolue par

transfert

indirect

d’électrons

Dans la pile décrite en 7.,

les électrons circulent :

De l’électrode

de zinc vers

l’électrode

d’argent

De l’électrode

d’argent vers

l’électrode

de zinc.

Dans les

solutions

Pour la pile décrite en 7.,

l’équation de la réaction

électrochimique s’écrit :

Zn²⁺ (aq) + 2 e^–

→ Zn (s)

Sur l’électrode

de zinc

Zn (s) →

Zn²⁺ (aq) + 2 e^–

Sur l’électrode

de zinc

Ag⁺ (aq) + e^–

→ Ag (s)

Sur

l’électrode

d’argent

L’équation de la réaction

de fonctionnement de la

pile décrite en 7. est :

Zn²⁺ (aq)

+ 2 Ag (s)

→

Zn (s)

+ 2 Ag⁺ (aq)

Zn (s)

+ 2 Ag⁺ (aq)

→

Zn²⁺ (aq)

+ 2 Ag (s)

2 Zn (s)

+ Ag⁺ (aq)

→

2 Zn²⁺ (aq)

+ Ag (s)

Un réducteur usuel

peut être du :

Dioxygène

O₂ (g)

Dihydrogène

H₂ (g)

Dichlore

Cℓ₂ (g)

- Une transformation est dite totale si l’avancement final x_f de la réaction est égal à son avancement maximal x_max.

- Une transformation est dite non totale si l’avancement final x_f de la réaction est inférieur à son avancement maximal x_max.

- Dans le cas d’une transformation non totale :

- À l’état final :

- Les quantités des espèces ne varient plus ;

- Tous les réactifs et les produits coexistent.

- On est en présence d’un équilibre chimique.

- Lors d’une réaction non totale :

- Les réactifs réagissent entre eux pour donner les produits ;

- Simultanément :

- Les produits réagissent pour donner les réactifs.

- Une réaction non totale est modélisée par deux réactions opposées l’une de l’autre.

- L’équation de la réaction s’écrit alors avec une double flèche

qui traduit le fait que deux réactions, inverses l’une de l’autre, peuvent se produire simultanément dans le système.

- L’équation s’écrit alors :

Équation		Fe²⁺ (aq)	+ Ag⁺ (aq)	Fe³⁺ (aq)	+ Ag (s)
État	Avancement	n (Fe²⁺)	n (Ag⁺)	n (Fe³⁺)	n (Ag)
État initial (mol)	0	n_i (Fe²⁺) ≈ 1	n_i (Ag⁺) ≈ 2	0	0
État Intermédiaire (mol	x	1 – x	2 – x	x	x
État final (mol)	x_f = 0,80	1 – x_f = 0,20	2 – x_f = 1,8	x_f = 0,80	x_f = 0 ,80
État maximal (mol)	x_max = 1	0	1	1	1

- Lorsque l’état d’équilibre est atteint :

- Les nombres moyens de chocs efficaces, par unité de temps, entre les espèces réactives d’une part et entre les espèces produites d’autre part sont égaux.

- La vitesse d’apparition de toute espèce chimique intervenant dans l’équation de la réaction est égale à sa vitesse de disparition.

- On est en présence d’un équilibre chimique dynamique.

- Le taux d’avancement final d’une réaction, noté τ (tau), est le quotient de l’avancement final par l’avancement maximal :

- Si τ = 0, la réaction n’a pas lieu.

- Pour une réaction totale : τ = 1 car x_f = x_max

- Pour une réaction non totale : 0 < τ < 1 car x_f < x_max

- On peut exprimer cette grandeur en pourcentage.

- Considérons la réaction chimique non totale suivante :

- Par définition, le quotient de réaction Q_r de cette réaction s’écrit :

- Pour simplifier l’expression, on omet de mettre la concentration standard C⁰.

- Mais, il ne faut pas oublier que le quotient de réaction est une grandeur sans unité qui caractérise un système chimique dans un état donné :

- Par convention, l’eau, lorsqu’elle est le solvant, n’intervient pas dans l’écriture de l’expression de Q_r (même s’il intervient dans l’équation de la réaction).

- Les espèces chimiques solides n’apparaissent pas dans l’expression du quotient de réaction.

- L’expression du quotient de réaction dépend du sens d’écriture de l’équation de la réaction.

- Les quotients des réactions inverses sont inverse l’un de l’autre.

- Dans l’état d’équilibre d’un système, le quotient de réaction Q_r,éq prend une valeur qui ne dépend pas de l’état initial.

- La valeur de Q_r,éq est indépendante de la composition initiale.

- Cette valeur ne dépend que de la température.

- Elle est appelée constante d’équilibre et on la note K.

- La valeur de la constante d’équilibre nous renseigne sur la nature de la réaction chimique.

- Si K ≥ 10⁴ la transformation chimique est quasi-totale (on dit aussi totale).

- Si K ≈ 1 la transformation chimique est équilibrée.

- Si K ≤ 10^–4 la transformation chimique est très limitée.

- Si la disparition d’un réactif intervient alors que la valeur du quotient de réaction Q_r, n’a pas atteint la valeur de K, la réaction est totale.

- Considérons la réaction suivante avec la terminologie associée :

► Si le quotient de réaction initial Q_r,i est inférieur à la constante d’équilibre K,

- soit Q_r,i < K,

- Le système chimique évolue spontanément vers un état d’équilibre.

- Il évolue dans le sens direct de l’écriture de l’équation de la réaction.

► Si le quotient de réaction initial Q_r,i est supérieur à la constante d’équilibre K,


Q_r	Quotient de réaction (sans unité)
[C] et [D]	Concentration des produits (mol . L^–1)
[A] et [B]	Concentration des réactifs (mol . L^–1)
C⁰	Concentration standard : C⁰ = 1,0 mol . L^–1

Q_max = n (e^–)_max . N_A . e
Q_max	Capacité électrique de la pile (coulomb : C)
n (e^–)_max	Quantité maximale d’électrons échangés (mol)
N_A	Nombre d’Avogadro (mol^–1) N_A = 6,02 × 10²³ mol^–1
e	Charge élémentaire (coulomb : C) e = 1,60 × 10^–19 C

Espèces oxydantes	Nom de l’espèce	Milieu
O₂ (g)	Dioxygène	Air
CℓO^– (aq)	Ion hypochlorite	Eau de Javel
Cℓ₂ (g)	Dichlore


τ (tau)	Taux d’avancement final (sans unité)
x_f	Avancement final (mol)
x_max	Avancement maximal (mol)

- Une transformation est dite totale si l’avancement final xf de la réaction est égal à son avancement maximal xmax.

- Une transformation est dite non totale si l’avancement final xf de la réaction est inférieur à son avancement maximal xmax.

- Dans le cas d’une transformation non totale :

- À l’état final :

- Les quantités des espèces ne varient plus ;

- Tous les réactifs et les produits coexistent.

- On est en présence d’un équilibre chimique.

- Lors d’une réaction non totale :

- Les réactifs réagissent entre eux pour donner les produits ;

- Simultanément :

- Les produits réagissent pour donner les réactifs.

- Une réaction non totale est modélisée par deux réactions opposées l’une de l’autre.

- L’équation de la réaction s’écrit alors avec une double flèche qui traduit le fait que deux réactions, inverses l’une de l’autre, peuvent se produire simultanément dans le système.

- L’équation s’écrit alors :

- Lorsque l’état d’équilibre est atteint :

- Les nombres moyens de chocs efficaces, par unité de temps, entre les espèces réactives d’une part et entre les espèces produites d’autre part sont égaux.

- La vitesse d’apparition de toute espèce chimique intervenant dans l’équation de la réaction est égale à sa vitesse de disparition.

- On est en présence d’un équilibre chimique dynamique.

- Le taux d’avancement final d’une réaction, noté τ (tau), est le quotient de l’avancement final par l’avancement maximal :

- Si τ = 0, la réaction n’a pas lieu.

- Pour une réaction totale : τ = 1 car xf = xmax

- Pour une réaction non totale : 0 < τ < 1 car xf < xmax

- On peut exprimer cette grandeur en pourcentage.

- Considérons la réaction chimique non totale suivante :

- Par définition, le quotient de réaction Qr de cette réaction s’écrit :

- Pour simplifier l’expression, on omet de mettre la concentration standard C0.

- Mais, il ne faut pas oublier que le quotient de réaction est une grandeur sans unité qui caractérise un système chimique dans un état donné :

- Par convention, l’eau, lorsqu’elle est le solvant, n’intervient pas dans l’écriture de l’expression de Qr (même s’il intervient dans l’équation de la réaction).

- Les espèces chimiques solides n’apparaissent pas dans l’expression du quotient de réaction.

- L’expression du quotient de réaction dépend du sens d’écriture de l’équation de la réaction.

- Les quotients des réactions inverses sont inverse l’un de l’autre.

- Dans l’état d’équilibre d’un système, le quotient de réaction Qr,éq prend une valeur qui ne dépend pas de l’état initial.

- La valeur de Qr,éq est indépendante de la composition initiale.

- Cette valeur ne dépend que de la température.

- Elle est appelée constante d’équilibre et on la note K.

- La valeur de la constante d’équilibre nous renseigne sur la nature de la réaction chimique.

- Si K ≥ 104 la transformation chimique est quasi-totale (on dit aussi totale).

- Si K ≈ 1 la transformation chimique est équilibrée.

- Si K ≤ 10–4 la transformation chimique est très limitée.

- Si la disparition d’un réactif intervient alors que la valeur du quotient de réaction Qr, n’a pas atteint la valeur de K, la réaction est totale.

- Considérons la réaction suivante avec la terminologie associée :

- soit Qr,i < K,

- Le système chimique évolue spontanément vers un état d’équilibre.

- Il évolue dans le sens direct de l’écriture de l’équation de la réaction.

- soit Qr,i > K, le système chimique évolue spontanément vers un état d’équilibre.

- Il évolue dans le sens inverse de l’écriture de l’équation de la réaction.

- Une transformation spontanée modélisée par une réaction d’oxydoréduction s’accompagne d’un transfert d’électrons :

- Direct si l’oxydant et le réducteur sont en contact ;

- Par un circuit extérieur si les réactifs ne sont pas en contact. Le système se comporte comme un générateur ou une pile.

- Une pile est constituée de deux compartiments distincts, appelés demi-piles.

- Chaque compartiment contient un couple oxydant-réducteur du type Mn+ (aq) / M (s).

- Les deux compartiments sont reliés par un pont salin.

- La plaque métallique M (s) est appelée électrode.

- Les transferts d’électrons se produisent à la surface de l’électrode.

- Une pile convertit de l’énergie chimique en énergie électrique.

- À l’extérieur de la pile (circuit électrique), le courant électrique est dû à un déplacement d’ensemble des électrons qui circulent de la borne négative (anode) vers la borne positive (cathode).

- À l’intérieur de la pile :

- Dans les solutions, la conduction électrique est dû à la double migration des ions positifs et négatifs, présents dans les différentes solutions, se déplaçant en sens inverses.

- Les électrons n’existent pas en solution aqueuse et ils ne peuvent pas s’accumuler sur la plaque. Ils se déplacent vers l’électrode de cuivre grâce au circuit électrique.

- Le sens conventionnel du courant est inverse de celui des électrons.

- Schéma général d’une pile :

- Le pont salin contient généralement une solution aqueuse ionique gélifiée.

- Dans le cas présent, on utilise une solution aqueuse gélifiée de nitrate d’ammonium :

- NH4+ (aq) + NO3– (aq).

- Le pont salin :

- Relie les deux demi-piles.

- Permet de fermer le circuit pour assurer la circulation du courant.

- Assure la neutralité électrique des solutions.

- La capacité électrique d’une pile est la charge électrique maximale Qmax que la pile peut débiter durant sa durée de vie.

- La quantité maximale n (e–)max d’électrons échangés se détermine à partir de la quantité du réactif limitant.

- Il ne faut pas confondre la capacité électrique d’une pile Qmax avec le quotient de réaction Qr d’une réaction chimique.

- Pour constituer une pile, on choisit le plus souvent comme électrode des métaux très réducteurs qui cèdent facilement des électrons.

- C’est le cas des métaux dont les éléments appartiennent aux colonnes 1 et 2 du tableau périodique.

- Tableau réduit :

- Le dihydrogène et les métaux comme le zinc sont aussi de bons réducteurs.

- Le lithium est beaucoup utilisé pour la fabrication de piles et accumulateurs.

- Un bon oxydant : Espèce chimique capable de capter facilement des électrons.

- Tableau des espèces oxydantes à connaître :

- Une transformation est dite totale si l’avancement final x_f de la réaction est égal à son avancement maximal x_max.

- Une transformation est dite non totale si l’avancement final x_f de la réaction est inférieur à son avancement maximal x_max.

- Pour une réaction totale : τ = 1 car x_f = x_max

- Pour une réaction non totale : 0 < τ < 1 car x_f < x_max

- Par définition, le quotient de réaction Q_r de cette réaction s’écrit :

- Pour simplifier l’expression, on omet de mettre la concentration standard C⁰.

- Par convention, l’eau, lorsqu’elle est le solvant, n’intervient pas dans l’écriture de l’expression de Q_r (même s’il intervient dans l’équation de la réaction).

- Dans l’état d’équilibre d’un système, le quotient de réaction Q_r,éq prend une valeur qui ne dépend pas de l’état initial.

- La valeur de Q_r,éq est indépendante de la composition initiale.

- Si K ≥ 10⁴ la transformation chimique est quasi-totale (on dit aussi totale).

- Si K ≤ 10^–4 la transformation chimique est très limitée.

- Si la disparition d’un réactif intervient alors que la valeur du quotient de réaction Q_r, n’a pas atteint la valeur de K, la réaction est totale.

- soit Q_r,i < K,

- soit Q_r,i > K, le système chimique évolue spontanément vers un état d’équilibre.

- Chaque compartiment contient un couple oxydant-réducteur du type Mⁿ⁺ (aq) / M (s).

- NH₄⁺ (aq) + NO₃^– (aq).

- La capacité électrique d’une pile est la charge électrique maximale Q_max que la pile peut débiter durant sa durée de vie.

- La quantité maximale n (e^–)_max d’électrons échangés se détermine à partir de la quantité du réactif limitant.

- Il ne faut pas confondre la capacité électrique d’une pile Q_max avec le quotient de réaction Q_r d’une réaction chimique.