Sens d’évolution spontanée d’un système chimique
Une fiche complète pour maîtriser les transformations non totales, l’état d’équilibre, le quotient de réaction, la constante d’équilibre, les réactions d’oxydoréduction, les piles et la capacité électrique.
En résumé
Une transformation chimique n’est pas toujours totale : il peut rester des réactifs lorsque l’état final est atteint. Pour prévoir le sens d’évolution spontané d’un système, on compare le quotient de réaction Qr à la constante d’équilibre K. Les réactions d’oxydoréduction permettent aussi de produire un courant électrique dans une pile.
Ce qu’il faut savoir faire
- Comparer l’avancement final et l’avancement maximal.
- Calculer ou interpréter un taux d’avancement final.
- Écrire et exploiter un quotient de réaction Qr.
- Comparer Qr à la constante d’équilibre K pour prévoir le sens d’évolution.
- Identifier oxydant, réducteur et transfert d’électrons.
- Écrire des demi-équations électroniques.
- Comprendre le fonctionnement d’une pile électrochimique.
- Calculer une quantité d’électricité et une capacité de pile.
1. La transformation non totale
a. Définition
Comparer l’avancement final xf à l’avancement maximal xmax permet de distinguer les transformations totales et non totales. Si l’état final est atteint avant que le réactif limitant soit entièrement consommé, la transformation est non totale.
b. Équilibre dynamique
Dans une transformation non totale, les réactifs réagissent dans le sens direct, mais les produits peuvent aussi réagir dans le sens inverse. À l’état d’équilibre, les deux transformations se compensent à l’échelle macroscopique.
2. L’évolution spontanée d’un système
a. Quotient de réaction Qr
Pour une équation chimique, le quotient de réaction est une grandeur sans unité qui dépend des concentrations des espèces dissoutes présentes dans l’état considéré. Les solides purs et le solvant n’apparaissent pas dans son expression.
À l’équilibre, le quotient de réaction prend une valeur particulière appelée constante d’équilibre.
b. Prévoir le sens d’évolution
3. Le transfert spontané d’électrons
a. Réactions d’oxydoréduction
Une réaction d’oxydoréduction met en jeu un transfert d’électrons entre un réducteur, qui cède des électrons, et un oxydant, qui les capte.
b. Couples oxydant/réducteur
Un couple oxydant/réducteur regroupe deux formes d’un même élément chimique qui diffèrent par le nombre d’électrons. Une demi-équation électronique permet de représenter ce passage entre forme oxydée et forme réduite.
4. Fonctionnement d’une pile
Une pile électrochimique convertit une partie de l’énergie chimique d’une transformation spontanée en énergie électrique. Elle est composée de deux demi-piles reliées par un pont salin et par un circuit extérieur.
a. Rôle des éléments
b. Capacité électrique d’une pile
La quantité maximale d’électricité que peut fournir une pile dépend de la quantité maximale d’électrons pouvant être échangés. On utilise :
où F est la constante de Faraday. La capacité peut s’exprimer en coulombs ou en ampère-heures.
c. Oxydants et réducteurs usuels
Certains oxydants et réducteurs reviennent souvent : les ions métalliques, les métaux, le dioxygène, les ions permanganate, les ions dichromate, les ions thiosulfate, ou encore les couples liés à l’eau et au dihydrogène. L’essentiel est de savoir identifier qui gagne et qui perd des électrons.
Mots-clés à connaître
Chaque notion renverra vers le Lexique Physique-Chimie lorsqu’il sera finalisé.
Carte mentale de synthèse
Erreurs fréquentes
Une transformation non totale a bien lieu, mais l’état final est un équilibre.
Dans l’expression usuelle au lycée, ils n’apparaissent pas.
Si Qr < K, le système évolue dans le sens direct ; si Qr > K, dans le sens inverse.
Les électrons circulent dans le circuit extérieur de la borne négative vers la borne positive.
Sans circulation ionique, les solutions ne restent pas électriquement neutres et la pile cesse vite de fonctionner.
QCM interactif
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1. Une transformation non totale est une transformation qui :
2. Le taux d’avancement final est défini par :
3. À l’équilibre chimique, le quotient de réaction Qr est :
4. Si Qr < K, l’évolution spontanée se fait généralement :
5. Si Qr > K, l’évolution spontanée se fait généralement :
6. Une oxydation correspond à :
7. Une réduction correspond à :
8. Dans une pile qui débite, les électrons circulent dans le circuit extérieur :
9. Le pont salin sert principalement à :
10. La capacité électrique maximale d’une pile s’exprime en :
11. La quantité d’électricité échangée peut s’écrire :
12. Le nombre de moles d’électrons échangés est relié à Q par :
Mini-entraînement
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Exercice 1
Une transformation a pour avancement maximal 0,50 mol et pour avancement final 0,20 mol. Calculer le taux d’avancement final et conclure.
Correction : τ = xf/xmax = 0,20/0,50 = 0,40, soit 40 %. La transformation est non totale.
Exercice 2
Pour un système donné, Qr = 2,0×10⁻³ et K = 5,0×10⁻². Dans quel sens le système évolue-t-il spontanément ?
Correction : Qr < K, donc le système évolue spontanément dans le sens direct afin de former davantage de produits.
Exercice 3
Une pile débite un courant constant de 0,20 A pendant 30 min. Calculer la quantité d’électricité fournie.
Correction : Δt = 30 min = 1800 s. Q = IΔt = 0,20 × 1800 = 360 C.
Exercice 4
Dans une réaction, Zn(s) devient Zn²⁺(aq). S’agit-il d’une oxydation ou d’une réduction ?
Correction : Zn perd deux électrons : Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. C’est une oxydation ; Zn est le réducteur.