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Physique-Chimie · 2 Bac Sciences Physiques

Sens d'évolution spontanée d'un système chimique

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Le sens d'évolution spontanée d'un système chimique est déterminé par la comparaison entre le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$ et la constante d'équilibre $K$.

  • Le quotient de réaction $Q_r$ pour une équation $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ est : $Q_r = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}$ (les espèces solides et le solvant ne figurent pas).
  • Critère d'évolution :
    • Si $Q_{r,i} < K$ : Le système évolue dans le sens direct (sens 1).
    • Si $Q_{r,i} > K$ : Le système évolue dans le sens inverse (sens 2).
    • Si $Q_{r,i} = K$ : Le système est en état d'équilibre chimique.
  • Dans une pile, le sens du courant est imposé par la réaction spontanée. L'anode est le siège de l'oxydation, la cathode celui de la réduction.

Méthodes à maîtriser

  1. Calculer $Q_{r,i}$ : Identifier les concentrations initiales de toutes les espèces en solution. Attention aux unités (mol/L).
  2. Comparer à $K$ : Toujours vérifier si la valeur de $K$ est donnée ou si elle doit être calculée via $K = \frac{[C]{eq}^c \cdot [D]{eq}^d}{[A]{eq}^a \cdot [B]{eq}^b}$.
  3. Déterminer la polarité d'une pile : Identifier le couple qui subit l'oxydation (perte d'électrons, pôle -) et celui qui subit la réduction (gain d'électrons, pôle +).

Exemples corrigés

Soit la réaction : $Cu^{2+} + Fe \rightleftharpoons Cu + Fe^{2+}$ avec $K = 10^{26}$. Si $[Cu^{2+}]_i = 10^{-2} \text{ mol/L}$ et $[Fe^{2+}]i = 10^{-1} \text{ mol/L}$ : $Q{r,i} = \frac{[Fe^{2+}]_i}{[Cu^{2+}]_i} = \frac{10^{-1}}{10^{-2}} = 10$. Comme $10 < 10^{26}$, le système évolue dans le sens direct.

Erreurs fréquentes

  • Oublier d'inclure les coefficients stœchiométriques comme exposants dans $Q_r$.
  • Inverser le sens de l'inégalité lors de la comparaison.
  • Confondre le quotient de réaction $Q_r$ (valeur instantanée) avec la constante $K$ (valeur à l'équilibre).
  • Oublier que les solides ont une activité égale à 1.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Sens d'évolution spontanée d'un système chimique

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Pour une réaction avec $K=10^{-5}$, si $Q_{r,i}=10^{-2}$, le système évolue :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que le quotient de réaction dépend de la température ?

Oui, le quotient de réaction $Q_r$ dépend des concentrations instantanées, mais la constante d'équilibre $K$ dépend exclusivement de la température. Si tu changes la température, la valeur de $K$ change, ce qui peut modifier le sens d'évolution spontanée du système.

💡 À retenir : $K$ est une fonction de la température $T$.

Kifach n7seb Q{r,i} ila kan 3ndi gaz f tafa3ol ?

Si tu as un gaz, tu peux utiliser sa pression partielle $P_{gaz}$ dans l'expression du quotient de réaction. La formule devient $Q_r = \frac{P_{gaz}/P^\circ}{...}$ où $P^\circ = 1,013 \times 10^5 \text{ Pa}$ est la pression standard. Cependant, au lycée, on travaille souvent avec des concentrations en solution aqueuse.

💡 À retenir : Pour un gaz, on utilise $P/P^\circ$ dans $Q_r$.

Est-ce que le solvant (l'eau) intervient dans le calcul de Qr ?

Non, dans le programme de terminale, l'activité du solvant (l'eau) est considérée comme égale à 1. Il n'apparaît donc jamais dans l'expression du quotient de réaction $Q_r$.

💡 À retenir : L'eau est le solvant, son activité est 1.

Wash Qr kaytbeddel ila zedna lma ?

Oui, si tu ajoutes de l'eau, tu dilues les espèces en solution. Les concentrations $[C]$ diminuent, ce qui change la valeur de $Q_r$. Cela peut faire basculer le système d'un état d'équilibre vers une évolution spontanée.

💡 À retenir : La dilution modifie $Q_r$ mais pas $K$.

Kifach n3ref chkoun li anode o chkoun li cathode f pile ?
  1. Écris l'équation de la réaction spontanée.
  2. Identifie l'espèce qui s'oxyde (perte d'électrons) : c'est l'anode (pôle -).
  3. Identifie l'espèce qui se réduit (gain d'électrons) : c'est la cathode (pôle +).

💡 À retenir : Anode = Oxydation = Pôle (-).

Si Q{r,i} = K, est-ce que la réaction s'arrête ?

Au niveau macroscopique, oui, on a l'impression que la réaction s'arrête car les concentrations ne changent plus. Mais au niveau microscopique, les réactions directe et inverse continuent à la même vitesse. C'est un équilibre dynamique.

💡 À retenir : L'équilibre est dynamique, pas statique.

Est-ce que les catalyseurs changent le sens d'évolution ?

Non, un catalyseur accélère la vitesse de réaction (sens direct et inverse), mais il ne modifie pas la constante d'équilibre $K$ ni la valeur de $Q_{r,i}$. Il ne change donc pas le sens d'évolution spontanée.

💡 À retenir : Le catalyseur n'a aucun effet sur l'état d'équilibre.

Chno hiya l'activite d'une espèce chimique ?

C'est une grandeur sans unité qui représente la "concentration effective" d'une espèce. Pour un soluté, c'est $[C]/C^\circ$ (avec $C^\circ = 1 \text{ mol/L}$). Pour un solide pur ou un solvant, elle vaut 1.

💡 À retenir : L'activité est sans dimension.

Comment savoir si une réaction est totale ou limitée ?

Une réaction est considérée comme totale si sa constante d'équilibre $K$ est très grande ($K > 10^4$). Si $K$ est modérée, la réaction est limitée et conduit à un état d'équilibre.

💡 À retenir : $K > 10^4 \implies$ Réaction totale.

Est-ce que le sens d'évolution dépend de la quantité de matière ou de la concentration ?

Le quotient de réaction dépend des concentrations (mol/L). Si tu as une grande quantité de matière dans un très grand volume, la concentration peut être faible. C'est la concentration qui compte.

💡 À retenir : $Q_r$ utilise les concentrations molaires.

Est-ce que Qr peut être négatif ?

Non, $Q_r$ est un quotient de concentrations ou d'activités, qui sont toujours des grandeurs positives. Par conséquent, $Q_r$ est toujours strictement positif.

💡 À retenir : $Q_r > 0$ toujours.

Pourquoi on dit "sens d'évolution spontanée" ?

Parce qu'il s'agit du sens dans lequel le système évolue sans intervention extérieure (sans apport d'énergie, sans changement de température). C'est la thermodynamique qui dicte cette évolution vers l'état d'équilibre.

💡 À retenir : Le système tend naturellement vers $K$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On mélange une solution de sulfate de cuivre II ($Cu^{2+} + SO_4^{2-}$) de concentration $C_1 = 10^{-2} \text{ mol/L}$ et une solution de nitrate d'argent ($Ag^+ + NO_3^-$) de concentration $C_2 = 10^{-2} \text{ mol/L}$. L'équation de la réaction est : $Cu(s) + 2Ag^+(aq) \rightleftharpoons Cu^{2+}(aq) + 2Ag(s)$. La constante d'équilibre est $K = 2 \times 10^{15}$. Déterminer le sens d'évolution spontanée du système.

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Exercice 2

On considère une pile constituée d'une électrode de zinc plongeant dans une solution de $Zn^{2+}$ ($0,1 \text{ mol/L}$) et d'une électrode de plomb plongeant dans une solution de $Pb^{2+}$ ($0,01 \text{ mol/L}$). Équation : $Zn(s) + Pb^{2+}(aq) \rightleftharpoons Zn^{2+}(aq) + Pb(s)$. $K = 2 \times 10^8$. Déterminer la polarité de la pile.

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Exercice 3

Soit la réaction d'estérification : $CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O$. On mélange 1 mol d'acide et 1 mol d'alcool dans un volume $V$. La constante d'équilibre est $K = 4$. Le système est-il à l'équilibre ? Sinon, dans quel sens évolue-t-il ?

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