Chapitre 7 Tspé évolution spontannée d'un système chimique

Page d'exercices

corrigé devoir

TP1

TP2

constante déquilbre de l'eau

Etat final d'une transformation chimique

Pile et quotien de réaction

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23

27

15

14

Pile et capacité

Quotien de réaction et constante d'équilibre

31

29

25

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Critère d'évolution spontanée

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I) Etat final d'une transformation chimique

1) Transformation totale

Une transformation est totale si le réactif limitant est entièrement consommé

L'équation de réaction s'écrit avec une flèche simple:

L'avancement final est égal à l'avancement maximal xf = xmax

en réalité, en TP, on considère que la transformation est totale si xf ≥ 0,99 xmax

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2) Transformation non totale ou limitée

Lorsque le réactif limitant n'est pas entièrement consommé, la transformation est limité ou non totale

L'équation de réaction s'écrit avec une flèche double

L'avancement final est inférieur à l'avancement maximal xf < xmax

En réalité, en TP, on considère que la transformation est limitée si xf < 0,99 xmax

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Exemple de transformation limitée:

A l'état final, lorsque la réaction est limitée, les réactifs et les produits coexistent: Les quantités de matières n'évoluent plus, on dit que le système est dans un état d'équilibre. L'avancement final xf sera noté xeq, avancement à l'équilibre

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Suite

Au niveau microscopique, le système est le siège de 2 réactions opposées. On parle d'équilibre dynamique

La réaction suivante:

est un équilibre dynamique entre les 2 réactions:

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3) Taux d'avancement final

Le taux d'avancement final est noté τf tel que:

si xf < 0,99 xmax , réaction limitée et τf < 0,99 si xf ≥ 0,99 xmax , réaction totale et τf ≥ 0,99

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exercice

Etat final d'une transformation chimique

15

14

II) QUotient de réaction et constante d'équilibre

1) Définition

Soit une transformation chimique modélisée par la réaction dont l'équation chimique est:

aA + bB cC + dD

Le quotient de réaction Qr est défini par la relation:

[A], [B] [C] et [D] sont les concentrations des espèces en mol.L-1

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2) Cas d'un solvant ou d'un solide

Si une espèce est le solvant ou est solide, alors sa concentration est prise égale à 1

Application: Ecrire les quotients de réaction pour les transformations suivantes

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3) Quotient de réaction et état d'équilibre

Lorsqu'un système évolue vers un état d'équilibre, le quotient de réaction atteint une valeur constante qui ne dépend que de la température T. Cette constante ne dépend pas de la composition initiale du système

Cette constante notée K ou K(T) est appelée constante d'équilibre. A l'équilibre, Qr= K(T)

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Constante d'équilibre de l'eau:

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Exercices

Quotien de réaction et constante d'équilibre

16

17

18

19

III) Evolution spontanée d'un système chimique

1) critère d'évolution spontanée

L'évolution d'un système chimique est spontanée si le système évolue de l'état initial vers l'état final sans intervention extérieur. Le quotient de réaction initial Qr,i et la constante d'équilibre permettent de prévoir l'évolution du système chimique:

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Activité 2

Activité 1

Suite

Résoudre une équation du 2nd degré avec la TI83

Si Qri < K le système évolue dans le sens direct de l'équation (formation des produits). Si Qri > K le système évolue dans le sens indirect de l'équation. (formation des réactifs)

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exercices

Critère d'évolution spontanée

20

21

IV) Transformations spontanées: les réactions d'oxydoréduction

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Dans la nature, les réactions d'oxydoréductions sont des exemples de transformations spontanées.

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1) Transferts d'électrons

Une réaction d'oxydo-réduction modélise une transformation au cours de laquelle des électrons sont échangés entre un oxydant et un réducteur appartemant à deux couples ox/red différents

Ecrire la réaction redox entre les ions Zinc(II) Zn2+ et le cuivre métal Cu:

Couples: Zn2+/Zn Cu2+/Cu

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Suite

Le transfert d'électrons peut se faire dans une solution dans laquelle l'oxydant et le réducteur sont mélangés ou par l'intermédiaire d'un circuit extérieur

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Suite

2) COmposition d'une pile électrochimique

Cu2+

Zn2+

Pile cuivre/zinc:

Pont salin

Définitions:

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Une pile est constituée de 2 compartiments séparés physiquement appelés demi-piles

Suite

Chaque demi-pile contient les 2 membres d'un couple rédox.

On appelle électrode tout métal plongeant dans une solution qui permet le passage du courant

Pile cuivre/zinc:

Cu2+

Zn2+

Pont salin

Dans une pile, les électrons se déplacent à l'extérieur de la pile, de la borne négative vers la borne positive. Les bornes + et - peuvent être repérées grâce à un voltmètre. Un voltmètre permet de mesurer la tension à vide de la pile

Définitions:

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Suite

3) Fonctionnement d'une pile électrochimique

Définitions: -l'anode est est le siège d'une oxydation -La cathode est le siège d'une réduction

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Suite

Application: La pile cuivre-argent

Couples : Cu2+/Cu Ag+/Ag

1) Ecrire la demi-équation redox qui a lieu au niveau de l'électrode d'argent.

2) Ecrire la demi-équation redox qui a lieu au niveau de l'électrode de cuivre.

3) En déduire quelle électrode est l'anode et la cathode

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4) Ecrire l'équation redox de fonctionnement de la pile.

Suite

Lorsque la pile fonctionne, le quotient de réaction évolue jusqu'à atteindre la constante d'équilibre. A l'équilibre, les quantités de matière n'évoluent plus, la pile est dite "usée"

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Suite

4) Bilan de matière dans une pile

Capacité électrique d'une pile

La capacité électrique d'une pile Qmax est la charge électrique totale Q échangée entre ses électrodes pendant sa durée de fonctionnement jusqu'à son usure.

Q= I ×Δt

Définitions:

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Q: charge électrique en coulomb (C) I: Intensité du courant en Ampères (A) Δt: durée de fonctionnement de la pile

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Q= I ×Δt

Q est également le nombre d'électrons échangés donc:

Q= ne- × Na × e

ne- : quantité de matière d'électrons (mol) Na: Nombre d'Avogadro (6,02×1023 mol-1) e: charge électrique élémentaire (1,6×10-19 C)

Définitions:

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Suite

Q= ne- × F

F: constante de Faraday telle que F= Na×e = 9,65×104C

La pile cuivre/argent: Compléter le tableau d'avancement. En déduire le nombre d'électrons échangés en fonction de xf

Définitions:

En déduire Qmax, la capacité maximale en fonction de xf

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Exercices

Pile et quotien de réaction

22

23

27

Pile et capacité

31

29

Définitions:

TP1

protocole 1

spectres d'absorbtion

protocole 2

protocole 3

Formulaire

TP2

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Suite

TP2

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