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Chimie · Classes prépa (CPGE) — 1ère année — TSI

Description d'un système physico-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

Un système chimique est défini par ses espèces chimiques, leurs quantités de matière $n_i$ et les conditions physiques ($P, T$). L'état du système est décrit par l'avancement $x$. Pour une réaction d'équation $\sum \nu_i A_i = 0$, l'avancement $x$ est défini par : $n_i(t) = n_i(0) + \nu_i x$. Le quotient de réaction $Q_r$ est : $Q_r = \prod a_i^{\nu_i}$, où $a_i$ est l'activité :

  • Soluté : $a_i = [C_i] / C^\circ$
  • Gaz : $a_i = P_i / P^\circ$
  • Solide/Liquide pur : $a_i = 1$ À l'équilibre, $Q_r = K(T)$.

Méthodes à maîtriser

  1. Dresser un tableau d'avancement complet.
  2. Identifier le réactif limitant en comparant $n_i / |\nu_i|$.
  3. Calculer $Q_r$ à un instant $t$ pour déterminer le sens d'évolution (comparaison avec $K$).
  4. Exprimer les pressions partielles en fonction de la pression totale : $P_i = x_i \cdot P_{tot}$.

Exemples corrigés

Exemple : Soit $A(g) + 2B(g) \rightleftharpoons C(g)$. Si $n_A=1$ mol et $n_B=2$ mol, alors $Q_r = \frac{P_C}{P_A \cdot P_B^2} \cdot (P^\circ)^2$. Si $P_{tot} = 1$ bar, on utilise $P_i = \frac{n_i}{n_{tot}} P_{tot}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir les unités (utiliser $P^\circ = 10^5$ Pa).
  • Confondre l'état final avec l'état d'équilibre.
  • Ne pas inclure les solides dans l'expression de $Q_r$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Description d'un système physico-chimique

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Pour la réaction $A + B \rightleftharpoons C$, l'expression de $Q_r$ est :

❓ Questions fréquentes

C'est quoi la différence entre Qr et K ?
  1. $Q_r$ (quotient de réaction) est une valeur calculée à n'importe quel instant $t$ avec les concentrations ou pressions réelles du système.
  2. $K$ (constante d'équilibre) est une valeur fixe à une température donnée, qui ne dépend que de la thermodynamique de la réaction.

💡 À retenir : $Q_r$ varie au cours du temps, alors que $K$ est une constante caractéristique de la réaction.

Kifach n7seb l'avancement maximal x{max} ?
  1. Tu écris le tableau d'avancement.
  2. Tu supposes que chaque réactif est limitant ($n_i - \nu_i x_{max} = 0$).
  3. Tu calcules $x$ pour chaque réactif.
  4. $x_{max}$ est la plus petite valeur positive obtenue.

💡 À retenir : Le réactif qui donne la plus petite valeur est le réactif limitant.

Est-ce que les solides entrent dans le calcul de Qr ?

Non, dans le programme, l'activité d'un solide pur ou d'un liquide pur est égale à 1. Ils n'apparaissent donc pas dans l'expression de $Q_r$.

💡 À retenir : Seuls les gaz et les solutés en solution aqueuse ont une activité différente de 1.

Chno hiya l'activité chimique ai ?

C'est une grandeur sans dimension qui représente la "concentration effective" d'une espèce. Pour un gaz, c'est $P_i/P^\circ$, et pour un soluté, c'est $[C_i]/C^\circ$.

💡 À retenir : $a_i$ permet d'avoir un $Q_r$ sans unité.

Comment savoir si le système évolue dans le sens direct ou inverse ?
  1. Calcule $Q_r$ à l'instant $t$.
  2. Compare $Q_r$ avec $K$.
  3. Si $Q_r < K$, le système évolue dans le sens direct (formation des produits).
  4. Si $Q_r > K$, le système évolue dans le sens inverse (formation des réactifs).

💡 À retenir : Le système cherche toujours à atteindre l'équilibre ($Q_r = K$).

Wach K katbeddel ila beddelna l'tarakouz ?

Non, $K$ ne dépend que de la température $T$. Si tu changes les concentrations, $Q_r$ change, mais $K$ reste identique.

💡 À retenir : Seule une variation de température modifie la valeur de la constante d'équilibre.

Pourquoi on utilise P^circ = 10^5 Pa ?

C'est la pression standard définie par l'IUPAC pour les calculs thermodynamiques. Elle permet de rendre les activités sans dimension.

💡 À retenir : Toujours vérifier que les pressions sont en Pascal ou en Bar selon l'unité de $P^\circ$.

Est-ce que l'avancement x a une unité ?

Oui, l'avancement $x$ s'exprime en moles (mol).

💡 À retenir : $x$ est une quantité de matière, pas une concentration.

Kifach n7seb l'fraction molaire xi ?
  1. Calcule le nombre de moles total du mélange : $n_{tot} = \sum n_i$.
  2. Divise le nombre de moles de l'espèce par le total : $x_i = n_i / n_{tot}$.

💡 À retenir : La somme des fractions molaires est toujours égale à 1.

Est-ce que Qr peut être négatif ?

Non, $Q_r$ est un produit de concentrations ou de pressions, qui sont toujours des grandeurs positives.

💡 À retenir : $Q_r$ est toujours strictement positif.

Pourquoi on dit "système physico-chimique" ?

Parce que l'état du système dépend à la fois de la composition chimique (réactions) et des paramètres physiques (Pression, Température, Volume).

💡 À retenir : La thermodynamique chimique lie les deux aspects.

Est-ce que x{max} est toujours atteint ?

Non, si la réaction est limitée (équilibre), le système s'arrête à $x_{eq} < x_{max}$. $x_{max}$ n'est atteint que pour les réactions totales.

💡 À retenir : $x_{max}$ est une limite théorique si la réaction était totale.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On considère la réaction en phase gazeuse : $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$. À $T = 500$ K, on introduit 1 mol de $N_2$ et 3 mol de $H_2$ dans un réacteur de volume $V = 10$ L.

  1. Calculer l'avancement maximal $x_{max}$.
  2. Exprimer $Q_r$ en fonction des pressions partielles.
  3. Si à l'équilibre $n_{NH_3} = 0,5$ mol, calculer $x_{eq}$ et $K$.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Dans un mélange gazeux, on a $P_{A} = 0,2$ bar, $P_{B} = 0,4$ bar et $P_{C} = 0,1$ bar pour la réaction $A + B \rightleftharpoons C$. La constante $K = 10$.

  1. Calculer $Q_r$.
  2. Déterminer le sens d'évolution.
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Exercice 3

Soit la réaction de précipitation : $Ag^+(aq) + Cl^-(aq) \rightleftharpoons AgCl(s)$. On mélange 0,01 mol de $Ag^+$ et 0,02 mol de $Cl^-$ dans 1L d'eau.

  1. Quel est le réactif limitant ?
  2. Calculer $x_{max}$.
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