Physique-Chimie · 2ème Année Bac — Sciences et Technologies Mécaniques
Sens d'évolution spontanée d'un groupe 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 $Q_r$ est défini par : $Q_r = \frac{\prod [Produits]{eq}^{coeff}}{\prod [Réactifs]{eq}^{coeff}}$ (les espèces solides et le solvant ne sont pas pris en compte).
Critère d'évolution :
Si $Q_{r,i} < K$ : Le système évolue dans le sens direct (sens de formation des produits).
Si $Q_{r,i} > K$ : Le système évolue dans le sens inverse (sens de formation des réactifs).
Si $Q_{r,i} = K$ : Le système est en état d'équilibre chimique.
Dans le cas d'une pile, le sens du courant est lié au sens de la réaction spontanée.
Méthodes à maîtriser
Calculer $Q_{r,i}$ : Identifier les concentrations initiales de toutes les espèces en solution.
Comparer : Comparer la valeur trouvée à $K$ (donnée ou calculée).
Conclure : Préciser le sens d'évolution (sens 1 ou sens 2).
Pile : Déterminer la polarité en identifiant le couple qui subit l'oxydation (anode) et celui qui subit la réduction (cathode).
Exemples corrigés
Soit la réaction : $Cu^{2+}(aq) + Fe(s) \rightleftharpoons Cu(s) + Fe^{2+}(aq)$ avec $K = 10^{26}$.
Si $[Cu^{2+}]_i = 10^{-2} mol/L$ et $[Fe^{2+}]i = 10^{-1} mol/L$ :
$Q{r,i} = \frac{[Fe^{2+}]_i}{[Cu^{2+}]i} = \frac{10^{-1}}{10^{-2}} = 10$.
Comme $Q{r,i} < K$ ($10 < 10^{26}$), la réaction évolue dans le sens direct.
Erreurs fréquentes
Oublier d'exclure les solides ($s$) et le solvant ($H_2O$) du quotient de réaction.
Inverser le sens de l'inégalité lors de la comparaison.
Confondre le quotient de réaction $Q_r$ (à un instant $t$) avec la constante d'équilibre $K$ (valeur fixe à une température donnée).
Oui, absolument. Le quotient de réaction $Q_r$ est une grandeur qui varie au fur et à mesure que la réaction progresse. À mesure que les concentrations des produits augmentent et que celles des réactifs diminuent, la valeur de $Q_r$ se rapproche de $K$. Une fois que $Q_r = K$, le système atteint l'équilibre et les concentrations ne changent plus.
💡 À retenir : $Q_r$ évolue jusqu'à atteindre la valeur de $K$.
Kifach n3ref wach l'evolution spontanée hiya sens direct wla inverse ?
C'est très simple : tu calcules $Q_{r,i}$ avec les concentrations initiales. Ensuite, tu le compares avec $K$ :
Si $Q_{r,i} < K$, le système veut "augmenter" son quotient pour atteindre $K$, donc il fabrique des produits (sens direct).
Si $Q_{r,i} > K$, le système veut "diminuer" son quotient, donc il consomme les produits pour refaire des réactifs (sens inverse).
Est-ce que la température influence la valeur de K ?
Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend uniquement de la température. Pour une réaction donnée, si tu changes la température, la valeur de $K$ changera, ce qui peut modifier le sens d'évolution spontanée du système.
💡 À retenir : $K$ est une fonction de la température $T$.
Wash Qr kayt7seb b les quantités de matière wla les concentrations ?
Pour les espèces en solution aqueuse, on utilise les concentrations molaires effectives en $mol/L$. Si tu as des gaz, on utilise les pressions partielles. On ne met jamais les quantités de matière ($n$) directement dans l'expression de $Q_r$.
💡 À retenir : Toujours utiliser les concentrations $[X]$ en $mol/L$.
Kifach n3ref l'etat d'equilibre wach t7eqqeq wla la ?
Il suffit de comparer la valeur de $Q_r$ à l'instant $t$ avec la constante $K$. Si tu trouves que $Q_r = K$, alors le système est à l'équilibre. Si $Q_r \neq K$, le système n'est pas à l'équilibre et il évoluera spontanément pour y parvenir.
💡 À retenir : $Q_r = K$ signifie équilibre chimique.
Est-ce que les solides interviennent dans le calcul de Qr ?
Non, jamais. Dans l'expression du quotient de réaction, on ne fait figurer que les espèces en solution aqueuse (aq) et les gaz (g). Les solides (s) et les liquides purs (comme l'eau solvant) ont une activité égale à 1, donc ils n'apparaissent pas dans la formule.
💡 À retenir : Solides et solvant = 1 dans $Q_r$.
Chno hiya l'utilité dyal had le chapitre f l'examen ?
Ce chapitre est fondamental pour comprendre les piles électrochimiques et les réactions d'oxydoréduction. À l'examen, on te demandera souvent de prédire le sens d'évolution d'une pile ou de vérifier si un mélange réactionnel va réagir spontanément. C'est une application directe des conditions de stabilité d'un système chimique.
💡 À retenir : Prédiction du sens d'évolution = base de l'électrochimie.
Si Q{r,i} = 0, que se passe-t-il ?
Si $Q_{r,i} = 0$, cela signifie qu'il n'y a aucun produit dans le milieu réactionnel au départ. Comme $K$ est toujours positif, on a forcément $Q_{r,i} < K$. La réaction évoluera donc obligatoirement dans le sens direct pour former des produits.
💡 À retenir : $Q_{r,i} = 0 \implies$ évolution sens direct.
Est-ce que le catalyseur change le sens d'évolution ?
Non, le catalyseur n'a aucune influence sur le sens d'évolution spontanée ni sur la valeur de la constante d'équilibre $K$. Il sert uniquement à augmenter la vitesse de la réaction pour atteindre l'équilibre plus rapidement.
💡 À retenir : Le catalyseur ne change pas $K$.
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 le système atteint un état d'équilibre où réactifs et produits coexistent.
💡 À retenir : $K$ très grand $\implies$ réaction totale.
Est-ce que Qr peut être négatif ?
Non, $Q_r$ est un rapport de concentrations (ou de pressions), et comme une concentration est toujours positive ou nulle, $Q_r$ est toujours positif.
💡 À retenir : $Q_r \geq 0$.
Est-ce que le volume de la solution change Qr ?
Si tu ajoutes de l'eau (dilution), les concentrations diminuent. Si les coefficients stœchiométriques des produits et des réactifs ne sont pas les mêmes, alors $Q_r$ changera, ce qui peut inverser le sens d'évolution du système.
💡 À retenir : La dilution peut modifier $Q_r$.
✍️ Exercices type examen national
Exercice 1
Soit la réaction : $Ag^+(aq) + Fe^{2+}(aq) \rightleftharpoons Ag(s) + Fe^{3+}(aq)$ avec $K = 0,3$.
Dans un bécher, on a : $[Ag^+] = 0,1 mol/L$, $[Fe^{2+}] = 0,2 mol/L$ et $[Fe^{3+}] = 0,1 mol/L$.
Déterminer le sens d'évolution.
On mélange un volume $V = 100 mL$ d'une solution de sulfate de cuivre II de concentration $C_1 = 10^{-2} mol/L$ avec une lame de zinc. On donne $K = 10^{37}$ pour la réaction : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightleftharpoons Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$.
Calculer le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$.
Déterminer le sens d'évolution spontanée du système.
Une pile est constituée des couples $Pb^{2+}/Pb$ et $Ag^+/Ag$. L'équation de la réaction est $Pb(s) + 2Ag^+(aq) \rightleftharpoons Pb^{2+}(aq) + 2Ag(s)$.
À un instant $t$, on mesure $[Pb^{2+}] = 0,1 mol/L$ et $[Ag^+] = 0,01 mol/L$. $K = 10^{26}$.
Le système est-il à l'équilibre ? Sinon, dans quel sens évolue-t-il ?
Le sens d'évolution spontanée d'un système chimique est déterminé par la comparaison entre le quotient de réaction initial Qr,i et la constante d'équilibre K.
Le quotient de réaction Qr est défini par : Qr=∏[Reˊactifs]eqcoeff∏[Produits]eqcoeff (les espèces solides et le solvant ne sont pas pris en compte).
Critère d'évolution :
Si Qr,i<K : Le système évolue dans le sens direct (sens de formation des produits).
Si Qr,i>K : Le système évolue dans le sens inverse (sens de formation des réactifs).
Si Qr,i=K : Le système est en état d'équilibre chimique.
Dans le cas d'une pile, le sens du courant est lié au sens de la réaction spontanée.
Méthodes à maîtriser
Calculer Qr,i : Identifier les concentrations initiales de toutes les espèces en solution.
Comparer : Comparer la valeur trouvée à K (donnée ou calculée).
Conclure : Préciser le sens d'évolution (sens 1 ou sens 2).
Pile : Déterminer la polarité en identifiant le couple qui subit l'oxydation (anode) et celui qui subit la réduction (cathode).
Exemples corrigés
Soit la réaction : Cu2+(aq)+Fe(s)⇌Cu(s)+Fe2+(aq) avec K=1026.
Si [Cu2+]i=10−2mol/L et [Fe2+]i=10−1mol/L :
Qr,i=[Cu2+]i[Fe2+]i=10−210−1=10.
Comme Qr,i<K (10<1026), la réaction évolue dans le sens direct.
Erreurs fréquentes
Oublier d'exclure les solides (s) et le solvant (H2O) du quotient de réaction.
Inverser le sens de l'inégalité lors de la comparaison.
Confondre le quotient de réaction Qr (à un instant t) avec la constante d'équilibre K (valeur fixe à une température donnée).
Si Qr,i=K, le système est :
Oui, absolument. Le quotient de réaction Qr est une grandeur qui varie au fur et à mesure que la réaction progresse. À mesure que les concentrations des produits augmentent et que celles des réactifs diminuent, la valeur de Qr se rapproche de K. Une fois que Qr=K, le système atteint l'équilibre et les concentrations ne changent plus.
💡 À retenir : Qr évolue jusqu'à atteindre la valeur de K.
C'est très simple : tu calcules Qr,i avec les concentrations initiales. Ensuite, tu le compares avec K :
Si Qr,i<K, le système veut "augmenter" son quotient pour atteindre K, donc il fabrique des produits (sens direct).
Si Qr,i>K, le système veut "diminuer" son quotient, donc il consomme les produits pour refaire des réactifs (sens inverse).
Oui, la constante d'équilibre K dépend uniquement de la température. Pour une réaction donnée, si tu changes la température, la valeur de K changera, ce qui peut modifier le sens d'évolution spontanée du système.
💡 À retenir : K est une fonction de la température T.
Pour les espèces en solution aqueuse, on utilise les concentrations molaires effectives en mol/L. Si tu as des gaz, on utilise les pressions partielles. On ne met jamais les quantités de matière (n) directement dans l'expression de Qr.
💡 À retenir : Toujours utiliser les concentrations [X] en mol/L.
Il suffit de comparer la valeur de Qr à l'instant t avec la constante K. Si tu trouves que Qr=K, alors le système est à l'équilibre. Si Qr=K, le système n'est pas à l'équilibre et il évoluera spontanément pour y parvenir.
💡 À retenir : Qr=K signifie équilibre chimique.
Non, jamais. Dans l'expression du quotient de réaction, on ne fait figurer que les espèces en solution aqueuse (aq) et les gaz (g). Les solides (s) et les liquides purs (comme l'eau solvant) ont une activité égale à 1, donc ils n'apparaissent pas dans la formule.
💡 À retenir : Solides et solvant = 1 dans Qr.
Si Qr,i=0, cela signifie qu'il n'y a aucun produit dans le milieu réactionnel au départ. Comme K est toujours positif, on a forcément Qr,i<K. La réaction évoluera donc obligatoirement dans le sens direct pour former des produits.
💡 À retenir : Qr,i=0⟹ évolution sens direct.
Non, le catalyseur n'a aucune influence sur le sens d'évolution spontanée ni sur la valeur de la constante d'équilibre K. Il sert uniquement à augmenter la vitesse de la réaction pour atteindre l'équilibre plus rapidement.
💡 À retenir : Le catalyseur ne change pas K.
Une réaction est considérée comme totale si sa constante d'équilibre K est très grande (K>104). Si K est modérée, la réaction est limitée et le système atteint un état d'équilibre où réactifs et produits coexistent.
💡 À retenir : K très grand ⟹ réaction totale.
Non, Qr est un rapport de concentrations (ou de pressions), et comme une concentration est toujours positive ou nulle, Qr est toujours positif.
💡 À retenir : Qr≥0.
Si tu ajoutes de l'eau (dilution), les concentrations diminuent. Si les coefficients stœchiométriques des produits et des réactifs ne sont pas les mêmes, alors Qr changera, ce qui peut inverser le sens d'évolution du système.
💡 À retenir : La dilution peut modifier Qr.
Exercice 1
Soit la réaction : Ag+(aq)+Fe2+(aq)⇌Ag(s)+Fe3+(aq) avec K=0,3.
Dans un bécher, on a : [Ag+]=0,1mol/L, [Fe2+]=0,2mol/L et [Fe3+]=0,1mol/L.
Déterminer le sens d'évolution.
Exercice 2
On mélange un volume V=100mL d'une solution de sulfate de cuivre II de concentration C1=10−2mol/L avec une lame de zinc. On donne K=1037 pour la réaction : Zn(s)+Cu2+(aq)⇌Zn2+(aq)+Cu(s).
Calculer le quotient de réaction initial Qr,i.
Déterminer le sens d'évolution spontanée du système.
Exercice 3
Une pile est constituée des couples Pb2+/Pb et Ag+/Ag. L'équation de la réaction est Pb(s)+2Ag+(aq)⇌Pb2+(aq)+2Ag(s).
À un instant t, on mesure [Pb2+]=0,1mol/L et [Ag+]=0,01mol/L. K=1026.
Le système est-il à l'équilibre ? Sinon, dans quel sens évolue-t-il ?