Chapitre 9 : Evolution spontanee d'un systeme chimique

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⏱️ I. Evolution spontanee d'un systeme chimique

🧠 A savoir

📚 1) Transformation totale

Lorsqu'une reaction est totale, la reaction se termine lorsqu'un ou tous des reactifs sont entierement consommes.

L'avancement final \(x_f\) est alors egal a l'avancement maximal \(x_{max}\).

On ecrit alors l'equation de la reaction avec une seule fleche ➡️ : la reaction ne se deroule spontanement que dans un seul sens.

Exemple ⚗️ : les reactions d'oxydo-reduction sont, en general, totales :

\[\text{Cu}^{2+}_{(aq)} + \text{Zn}_{(s)} \longrightarrow \text{Zn}^{2+}_{(aq)} + \text{Cu}_{(s)}\]

🔄 2) Transformation non totale

Une transformation n'est pas totale quand il y a coexistences des reactifs et des produits a l'etat final : le systeme est alors dans un etat d'equilibre chimique ⚖️

A l'etat final, on a alors \(x_f < x_{max}\)

On represente l'equation de la reaction avec double fleche ⇌ car la reaction peut se derouler dans les 2 sens

Exemple 🧪 : la reaction entre l'acide ethanoique et l'eau est une reaction non totale :

\[\text{CH}_3\text{COOH}_{(aq)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^-_{(aq)} + \text{H}_3\text{O}^+_{(aq)}\]

Reaction en sens direct (sens 1) ➡️ : les reactifs reagissent pour former les produits

Reaction en sens indirect (sens 2) ⬅️ : les produits formes reagissent entre eux pour former les reactifs

🔄 3) Notion d'equilibre dynamique

A l'echelle macroscopique 🔭 : l'etat du systeme a l'equilibre ne semble plus evoluer, les quantites des especes ne varient plus.

A l'echelle microscopique 🔬 : les "chocs efficaces" conduisant aux produits compensent exactement les "chocs efficaces" conduisant aux reactifs ; ainsi, les vitesses d'apparition des produits et celle de consommation des reactifs sont egales.

L'etat final correspond donc a un etat d'equilibre dynamique ⚖️✨.

📊 4) Taux d'avancement final

Le taux d'avancement final d'une reaction, note \(\tau\) ("tau"), est le rapport entre l'avancement final et l'avancement maximal :

\[\boxed{\;\tau = \frac{x_f}{x_{max}}\;}\]

C'est un nombre sans dimension :

• \(\tau = 1\) signifie que la reaction est totale (100%) ✅
• \(\tau < 1\) signifie que la reaction est non totale (equilibree) ⚖️

▶️ Capsule : Notion d'equilibre chimique

📏 II. Prevoir l'evolution d'un systeme chimique

🧠 A savoir

🔢 1) Quotient de reaction Qr

On considere une reaction chimique d'equation :

\[a\,\text{A} + b\,\text{B} \rightleftharpoons c\,\text{C} + d\,\text{D}\]

ou \(a\), \(b\), \(c\), et \(d\) sont les coefficients stoechiometriques respectifs des especes A, B, C et D.

Le quotient de reaction \(Q_r\), nombre sans dimension, s'ecrit dans un etat donne du systeme :

\[\boxed{\;Q_r = \frac{{\frac{C}{C^0}}^c \times {\frac{D}{C^0}}^d} {{\frac{A}{C^0}}^a \times {\frac{B}{C^0}}^b}\;} ~~~avec~~~\left\{\begin{array}{l} {\text{[A] et [B] concentration des réactifs en } mol.L^{-1}}\\{\text{[C] et [D] concentration des produits en } mol.L^{-1}}\\{C^0 \text{concentration standard : }C^0=1mol.L^{-1}}\end{array}\right.\]

⚠️ ATTENTION : Par convention, l'eau (solvant) 💧 et toute espece solide non miscible, n'interviennent pas dans l'ecriture du quotient de reaction.

🔑 2) Constante d'equilibre K

Lorsqu'un systeme chimique, siege d'une transformation non totale, atteint un etat d'equilibre chimique, le quotient de reaction \(Q_{r,eq}\) est independant de la composition initiale du systeme, et ne depend que de la temperature 🌡️.

On appelle cette grandeur la "constante d'equilibre" et on la note \(K\) :

\[\boxed{\;Q_{r,eq} = K\;}\]

Remarques 💡 :

• Plus la constante d'equilibre est elevee, plus l'avancement final \(x_f\) tend vers \(x_{max}\).
• Les valeurs de \(K\) sont repertoriees dans des tables de donnees, souvent pour une temperature de 25°C.

🔄 3) Critere d'evolution spontanee

▶️ Capsule : Critere d'evolution spontanee

Lorsque le quotient de reaction \(Q_r\) est different de \(K\), le systeme n'est pas a l'equilibre. Pourtant, tout systeme chimique va evoluer spontanement vers un etat d'equilibre :

Si \(Q_r < K\) ➡️ : il n'y a pas assez de produits : la reaction chimique se produit dans le sens direct (sens 1), des produits sont formes.

Si \(Q_r > K\) ⬅️ : il y a trop de produits, la reaction se deroule dans le sens indirect (sens 2), des produits sont consommes.

\[\boxed{\;\text{Tout systeme chimique evolue spontanement jusqu'a ce que } Q_r = K\;}\]

Critere d'evolution spontanee d'un système chimique