Chapitre n°8 sens évolution d’un système

I. Equilibre chimique

1) Transformation totale et non totale

Soit le modèle d’une réaction chimique :

A + B →  C  +  D

Si un des réactifs arrive à épuisement à l’état final, il est le réactif limitant, l’avancement est noté x_max et la réaction est totale.  
Si à l’état final, des réactifs et produits restent présents, l’avancement final x_f est inférieur à x_max   et la réaction est n’est pas totale.  
On définit le taux d’avancement :
τ= x_f / x_max

Tableau d’évolution et réactif limitant – Physique-Chimie – 1ère – Les Bons Profs – YouTube

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2) Etat d’équilibre chimique dynamique

Dans une réaction non totale la réaction directe ❶ est en partie compensée par la réaction opposée : ❷.

3) Quotient de réaction et constante d’équilibre

a. définition du quotient de réaction

Pour une réaction chimique en solution aqueuse d’équation :  a A_(aq)+bB_(aq)↔cC_(aq)+dD_(aq)

a, b, c et d sont les coefficients  stœchiométriques des réactifs A et B et des produits C et D.

Le quotient de réaction Q_r s’écrit :

 
Si le solvant (comme l’eau), ou un solide, ou un gaz non dissout, interviennent dans l’équation, leur contribution est remplacée par le chiffre 1 dans l’écriture de Qr.
Pour assurer l’absence d’unité on doit parfois ajouter la concentration standard

b. Exemples de quotients de réaction

c. La constante de réaction K

Lors de la réaction chimique le quotient de réaction  évolue pour atteindre un équilibre  indépendant des conditions initiales. On définit ainsi la constante d’équilibre avec l’état final :

d. Avancement de la réaction chimique

Si K < 10⁻⁴, la réaction est très peu avancée.

Si 10⁻⁴ < K < 10⁴, il y a un état d’équilibre.

Si K > 10⁴, la réaction est considérée comme totale.

 

4) Critère d’évolution d’un système

Si Q_r,i<K alors le système évolue dans le sens direct

Si Q_r,i>K alors le système évolue dans le sens opposé

Si Q_r,i=K alors le système n’évolue pas

https://www.youtube.com/watch?v=53XT3ZAPbR8

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II. Transfert spontané d’électron

1) Principe de la réaction d’oxydo-réduction

Une réaction oxydo-réduction est une transformation spontanée avec un échange d’électrons entre un réducteur et un oxydant.

2) Exemple de réaction d’oxydo-réduction

Une lame de zinc est plongée dans une solution de sulfate de cuivre, on observe un dépôt rouge sur la lame et la teinte de la solution s’affaiblir. Des ions Cu²⁺ disparaissent   et des ions Zn²⁺ se forment

L’équation bilan de la réaction est :  Cu²⁺_(aq)+Zn_(s)→ Cu_(s) +Zn ²⁺_(aq)

 

Une lame de cuivre dans une solution de sulfate de zinc ne présente aucune réaction chimique.

3) Principe général d’une pile

a. Constitution de la pile

Si l’oxydant et le réducteur sont en contacts, le transfert se fait directement

 Si l’oxydant et le réducteur ne sont pas en contact et sont placés dans des compartiments séparés, le transfert d’électrons se fait par l’intermédiaire d’un circuit électrique extérieur. Le système se comporte alors comme un circuit ou une pile.

Le pont salin assure la neutralité électrique et ferme le circuit électrique 

b. Fonctionnement de la pile Cuivre Zinc

La tension à vide de la pile U ₀ se détermine avec un voltmètre lorsqu’ elle débite aucun courant.

Lorsque la pile est branchée sur un récepteur, des réactions chimiques ont lieu aux électrodes qui génère un courant électrique à l’extérieur de la pile.

L’électrode de cuivre subit une réduction, elle est l’anode : Cu²⁺+2e^–=→Cu

L’électrode de zinc subit une oxydation, elle est la cathode :

 Zn →Zn²⁺+2e^–

Dans le pont salin, ici constitué d’ion K⁺ et   Cl^– :

Les ions K⁺ se déplacent vers l’électrode de cuivre

Les ions Cl^– se déplacent vers l’électrode de zinc 

Les porteurs de charges sont les ions dans les solutions et les électrons dans les fils et les électrodes 

La pile débite un courant tant que Q_r est inférieur à K

      Lorsque Q_r=K il n’y a plus de réaction et la pile est usée

(10) Fonctionnement d’une pile – Physique-Chimie – Terminale – Les Bons Profs – YouTube

 

c. Capacité électrique d’une pile

La capacité d’une pile correspond à la quantité maximale de charge Q qu’elle est susceptible de débiter.

Les piles électrochimiques – cours complet de chimie de terminale

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d. Exemple de la capacité d’une pile Cuivre- Zinc

Une pile Cuivre-Zinc est constituée de deux béchers de 200mL avec des concentrations ioniques de 1mol.L^-1 avec des électrodes en cuivre et en zinc dont on négligera le changement d’épaisseur.

Quelle est la capacité de cette pile si la charge d’un électron est de q_e-=- 1,6.10^-19C ?

 

La réaction sur l’électrode de cuivre est:

Cu²⁺ _(aq) +2 e^–→Cu_(s)

On en déduit : n(e^–)= 2.n(Cu²⁺)=2.CV=2.1.0,2=0,4mol

La charge d’une mole est q=Na.e=6,02.10²³.1,6.10^-19=96320C

On en déduit la capacité de la pile Q=n(e^–).q=38528 C