Cours
Évolution spontanée d'un système chimique — Cours (Pr Jenkal)
Cours de Chimie — Critère d'évolution spontanée d'un système chimique : quotient de réaction, comparaison à la constante d'équilibre, applications acido-basique et oxydoréduction — 2ème Bac.
Ce cours de Chimie est destiné aux élèves de 2ème Bac (Semestre 2) et s'inscrit dans le chapitre « Évolution spontanée d'un système chimique ».
Cours réalisé par Professeur Jenkal Rachid.
Mise en situation
La patine noble des bronzes antiques est due à des transformations très lentes s'effectuant spontanément dans un sens déterminé, celui de l'oxydation du cuivre constituant ces alliages.
Comment déterminer le sens d'évolution spontanée d'un système chimique ?
Objectifs
- Donner l'expression du quotient de réaction Qr.
- Calculer le quotient de réaction pour un état quelconque d'un système chimique.
- Déterminer le sens d'évolution d'un système en comparant les valeurs du quotient de réaction initial et de la constante d'équilibre K.
I. Critère d'évolution spontanée d'un système chimique
1. Rappel sur le quotient de réaction Qr
Pour une réaction chimique d'équation a A(aq) + b B(aq) ⇄ c C(aq) + d D(aq), le quotient de réaction Qr dans un état donné (à l'instant t) est :
Qr = [C]c[D]d / [A]a[B]b
À l'équilibre, les concentrations molaires des espèces chimiques deviennent constantes et le quotient de réaction prend une valeur constante appelée constante d'équilibre :
Qr,éq = K = [C]éqc[D]éqd / [A]éqa[B]éqb
Cette constante ne dépend pas de l'état initial (composition ou concentration initiale) : elle ne dépend que de la température T.
2. Critère d'évolution spontanée
Si Qr ≠ K, le système chimique évolue spontanément vers l'état d'équilibre. En comparant la valeur du quotient de réaction initial Qr,i à la constante d'équilibre K, on distingue trois cas :
- Si Qr,i < K, le système évolue spontanément dans le sens direct (sens 1, qui fait augmenter Qr) jusqu'à ce que Qr = K : les concentrations en produits (C et D) augmentent, celles en réactifs (A et B) diminuent.
- Si Qr,i > K, le système évolue spontanément dans le sens inverse (sens 2, qui fait diminuer Qr) jusqu'à ce que Qr = K : les concentrations en produits diminuent, celles en réactifs augmentent.
- Si Qr,i = K, le système n'évolue plus : il est déjà à l'équilibre.
L'utilité de ce critère est de prévoir le sens d'évolution spontanée du système, à température constante, lorsqu'on connaît sa composition à l'état initial.
Remarque : si la constante d'équilibre K > 104, la réaction est considérée comme totale ; on utilise alors une seule flèche dans l'équation de la réaction.
II. Application du critère d'évolution spontanée
1. Cas d'une réaction acido-basique
On mélange :
- un volume V1 = 10 mL d'une solution d'acide éthanoïque CH3COOH(aq) de concentration C1 = 5.10-2 mol.L-1 ;
- un volume V2 = 5 mL d'une solution d'ammoniac NH3(aq) de concentration C2 = 5.10-2 mol.L-1 ;
- un volume V3 = 5 mL d'une solution d'éthanoate de sodium (CH3COO-(aq) + Na+(aq)) de concentration C3 = 10-1 mol.L-1 ;
- un volume V4 = 10 mL d'une solution de chlorure d'ammonium (NH4+(aq) + Cl-(aq)) de concentration C4 = 10-1 mol.L-1.
L'équation de la réaction qui se produit entre l'acide éthanoïque et l'ammoniac est :
CH3COOH(aq) + NH3(aq) ⇄ CH3COO-(aq) + NH4+(aq)
Données : pour le couple CH3COOH(aq)/CH3COO-(aq), pKA1 = 4,8 ; pour le couple NH4+(aq)/NH3(aq), pKA2 = 9,2.
Quotient de réaction initial : Qr,i = [CH3COO-]i[NH4+]i / ([CH3COOH]i[NH3]i). Chaque concentration initiale s'exprime à partir des données (ni/VT avec VT le volume total du mélange), ce qui donne Qr,i = (C3V3C4V4) / (C1V1C2V2), soit Qr,i = 4.
Constante d'équilibre : K = KA1/KA2 = 10pKA2 - pKA1, soit K = 2,5.104.
Sens d'évolution : puisque Qr,i < K, le système évolue dans le sens direct (sens 1). De plus, K > 104 : la réaction est totale dans ce sens :
CH3COOH(aq) + NH3(aq) → CH3COO-(aq) + NH4+(aq)
2. Cas d'une réaction d'oxydoréduction
On introduit dans un bécher :
- V1 = 200 mL d'ions zinc Zn2+(aq) de concentration [Zn2+]i = 2,0.10-1 mol.L-1 ;
- V2 = 200 mL d'ions aluminium Al3+(aq) de concentration [Al3+]i = 1,5.10-2 mol.L-1 ;
- une plaque de zinc Zn(s) et une plaque d'aluminium Al(s).
L'équation de la réaction s'écrit :
2 Al(s) + 3 Zn2+(aq) ⇄ 2 Al3+(aq) + 3 Zn(s)
La donnée de l'énoncé fournit la constante d'équilibre de cette réaction : K = 4.1038.
Quotient de réaction initial : Qr,i = [Al3+]i2 / [Zn2+]i3. Après calcul des concentrations initiales, on obtient Qr,i = 5,6.10-2.
Sens d'évolution : Qr,i < K, donc le système chimique évolue spontanément, selon le critère d'évolution spontanée, dans le sens direct (sens de la formation de zinc métallique et d'ions aluminium).