Physique · Prépa concours post-bac — IAV & ENA Meknès
Étude des systèmes chimiques (Évolution spontanée)
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 quotient de réaction $Q_r$ pour une équation $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ est : $Q_r = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}$.
Si $Q_r < K$ : le système évolue dans le sens direct (1).
Si $Q_r > K$ : le système évolue dans le sens inverse (2).
Si $Q_r = K$ : le système est en équilibre chimique.
Une pile transforme l'énergie chimique en énergie électrique. Elle est constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin.
À l'anode (borne -) : oxydation.
À la cathode (borne +) : réduction.
La f.e.m $E$ est donnée par $E = V_+ - V_-$.
Méthodes à maîtriser
Calculer $Q_{r,i}$ à partir des concentrations initiales.
Comparer $Q_{r,i}$ à $K$ pour déterminer le sens d'évolution.
Écrire les demi-équations aux électrodes pour identifier l'anode et la cathode.
Schématiser une pile avec la notation conventionnelle : $(-)$ Electrode | Solution || Solution | Electrode $(+)$.
Exemples corrigés
Soit une pile Cu/Zn. $K = 10^{37}$. $Q_{r,i} = 10^{-2}$.
Comme $Q_{r,i} < K$, la réaction évolue spontanément dans le sens direct : $Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$.
Erreurs fréquentes
Oublier les coefficients stoechiométriques dans l'expression de $Q_r$.
Confondre l'anode (oxydation) et la cathode (réduction).
Inverser le sens de comparaison entre $Q_r$ et $K$.
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🎯 Étude des systèmes chimiques (Évolution spontanée)
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Le quotient de réaction $Q_r$ est :
❓ Questions fréquentes
Pourquoi le courant s'arrête-t-il dans une pile ?
Le courant s'arrête quand le système atteint l'état d'équilibre chimique, c'est-à-dire quand $Q_r = K$. À ce stade, il n'y a plus de transfert net d'électrons.
💡 À retenir : L'usure des réactifs ou l'atteinte de l'équilibre stoppe la pile.
Peut-on utiliser l'eau dans l'expression de Qr ?
Non, l'eau est le solvant et sa concentration est considérée comme constante (très grande devant les autres). Elle n'apparaît jamais dans l'expression de $Q_r$.
💡 À retenir : Le solvant est exclu de l'expression du quotient de réaction.
Comment écrire la notation conventionnelle d'une pile ?
On écrit : (Borne -) Métal | Ion || Ion | Métal (Borne +).
Exemple : $Zn(s) | Zn^{2+}(aq) || Cu^{2+}(aq) | Cu(s)$.
💡 À retenir : Toujours mettre les électrodes aux extrémités.
Est-ce que Qr peut être négatif ?
Non, $Q_r$ est un rapport de concentrations (ou activités), donc il est toujours strictement positif.
💡 À retenir : $Q_r > 0$ toujours.
Kifach n3ref chkoun hiya l'anode o chkoun hiya l'cathode f l'pile ?
Regarde le sens du courant $I$ ou le sens de déplacement des électrons.
Les électrons sortent toujours de l'anode (borne -) et entrent par la cathode (borne +).
À l'anode, il y a oxydation (perte d'électrons). À la cathode, il y a réduction (gain d'électrons).
💡 À retenir : L'anode est toujours le pôle négatif, la cathode est le pôle positif.
Wach Qr katbeddel ila beddelna l'volume dial l'solution ?
Non, si tu dilues le système, les concentrations changent, donc $Q_r$ change. Cependant, la constante d'équilibre $K$ ne dépend que de la température. Si tu changes le volume, tu changes l'état du système, ce qui peut modifier le sens d'évolution spontanée.
💡 À retenir : $K$ est une constante pour une température donnée, $Q_r$ est une variable d'état.
Chno hiya l'fayda dial l'pont salin f l'pile ?
Le pont salin assure deux rôles :
Fermer le circuit électrique pour permettre le passage du courant.
Assurer l'électroneutralité des solutions en permettant la migration des ions.
💡 À retenir : Sans pont salin, la réaction s'arrête instantanément car les solutions se chargent électriquement.
Comment calculer la constante d'équilibre K à partir de la f.e.m E ?
Au programme, on utilise souvent la relation entre $K$ et $E$ via les tables de potentiels standards, mais pour une pile en fonctionnement, on utilise $Q_{r,eq} = K$. (à vérifier par le professeur : la relation thermodynamique directe $E = E^0 - \frac{0.059}{n} \log Q_r$ est hors programme sauf si donnée dans l'énoncé).
Est-ce que les solides interviennent dans le calcul de Qr ?
Non, les espèces solides (ex: $Cu(s)$) ne figurent pas dans l'expression du quotient de réaction $Q_r$. On ne met que les espèces en solution aqueuse.
💡 À retenir : Seules les espèces en phase aqueuse (aq) sont prises en compte.
Kifach n3ref wach tafa3ol ghadi l9odam ola lor ?
Tu calcules $Q_{r,i}$ avec les concentrations initiales. Tu le compares à $K$ :
Si $Q_{r,i} < K$, le système évolue dans le sens direct (vers la droite).
Si $Q_{r,i} > K$, le système évolue dans le sens inverse (vers la gauche).
💡 À retenir : Le système cherche toujours à atteindre l'état d'équilibre où $Q_r = K$.
Quelle est la différence entre une pile et une électrolyse ?
Dans une pile, la réaction est spontanée ($Q_r < K$). Dans une électrolyse, on force le système à évoluer dans le sens inverse en imposant un courant extérieur.
Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend uniquement de la température. Si la température change, la valeur de $K$ change, ce qui modifie l'état d'équilibre du système.
💡 À retenir : $K = f(T)$.
✍️ Exercices type examen national
Exercice 1
On considère une pile constituée d'une électrode de cuivre dans une solution de $Cu^{2+}$ (0,1 mol/L) et d'une électrode d'argent dans une solution de $Ag^+$ (0,1 mol/L). $K = 10^{15}$.
Le quotient de réaction Qr pour une équation aA+bB⇌cC+dD est : Qr=[A]a⋅[B]b[C]c⋅[D]d.
Si Qr<K : le système évolue dans le sens direct (1).
Si Qr>K : le système évolue dans le sens inverse (2).
Si Qr=K : le système est en équilibre chimique.
Une pile transforme l'énergie chimique en énergie électrique. Elle est constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin.
À l'anode (borne -) : oxydation.
À la cathode (borne +) : réduction.
La f.e.m E est donnée par E=V+−V−.
Méthodes à maîtriser
Calculer Qr,i à partir des concentrations initiales.
Comparer Qr,i à K pour déterminer le sens d'évolution.
Écrire les demi-équations aux électrodes pour identifier l'anode et la cathode.
Schématiser une pile avec la notation conventionnelle : (−) Electrode | Solution || Solution | Electrode (+).
Exemples corrigés
Soit une pile Cu/Zn. K=1037. Qr,i=10−2.
Comme Qr,i<K, la réaction évolue spontanément dans le sens direct : Zn(s)+Cu2+(aq)→Zn2+(aq)+Cu(s).
Erreurs fréquentes
Oublier les coefficients stoechiométriques dans l'expression de Qr.
Confondre l'anode (oxydation) et la cathode (réduction).
Inverser le sens de comparaison entre Qr et K.
Le quotient de réaction Qr est :
Le courant s'arrête quand le système atteint l'état d'équilibre chimique, c'est-à-dire quand Qr=K. À ce stade, il n'y a plus de transfert net d'électrons.
💡 À retenir : L'usure des réactifs ou l'atteinte de l'équilibre stoppe la pile.
Non, l'eau est le solvant et sa concentration est considérée comme constante (très grande devant les autres). Elle n'apparaît jamais dans l'expression de Qr.
💡 À retenir : Le solvant est exclu de l'expression du quotient de réaction.
On écrit : (Borne -) Métal | Ion || Ion | Métal (Borne +).
Exemple : Zn(s)∣Zn2+(aq)∣∣Cu2+(aq)∣Cu(s).
💡 À retenir : Toujours mettre les électrodes aux extrémités.
Non, Qr est un rapport de concentrations (ou activités), donc il est toujours strictement positif.
💡 À retenir : Qr>0 toujours.
Regarde le sens du courant I ou le sens de déplacement des électrons.
Les électrons sortent toujours de l'anode (borne -) et entrent par la cathode (borne +).
À l'anode, il y a oxydation (perte d'électrons). À la cathode, il y a réduction (gain d'électrons).
💡 À retenir : L'anode est toujours le pôle négatif, la cathode est le pôle positif.
Non, si tu dilues le système, les concentrations changent, donc Qr change. Cependant, la constante d'équilibre K ne dépend que de la température. Si tu changes le volume, tu changes l'état du système, ce qui peut modifier le sens d'évolution spontanée.
💡 À retenir : K est une constante pour une température donnée, Qr est une variable d'état.
Au programme, on utilise souvent la relation entre K et E via les tables de potentiels standards, mais pour une pile en fonctionnement, on utilise Qr,eq=K. (à vérifier par le professeur : la relation thermodynamique directe E=E0−n0.059logQr est hors programme sauf si donnée dans l'énoncé).
Non, les espèces solides (ex: Cu(s)) ne figurent pas dans l'expression du quotient de réaction Qr. On ne met que les espèces en solution aqueuse.
💡 À retenir : Seules les espèces en phase aqueuse (aq) sont prises en compte.
Tu calcules Qr,i avec les concentrations initiales. Tu le compares à K :
Si Qr,i<K, le système évolue dans le sens direct (vers la droite).
Si Qr,i>K, le système évolue dans le sens inverse (vers la gauche).
💡 À retenir : Le système cherche toujours à atteindre l'état d'équilibre où Qr=K.
Dans une pile, la réaction est spontanée (Qr<K). Dans une électrolyse, on force le système à évoluer dans le sens inverse en imposant un courant extérieur.
Oui, la constante d'équilibre K dépend uniquement de la température. Si la température change, la valeur de K change, ce qui modifie l'état d'équilibre du système.
💡 À retenir : K=f(T).
Exercice 1
On considère une pile constituée d'une électrode de cuivre dans une solution de Cu2+ (0,1 mol/L) et d'une électrode d'argent dans une solution de Ag+ (0,1 mol/L). K=1015.
Écrire l'équation de la réaction.
Calculer Qr,i.
Déterminer le sens d'évolution spontanée.
Exercice 2
Une pile fonctionne avec le couple Fe/Fe2+ et Sn/Sn2+.
Donner le schéma conventionnel sachant que le fer est l'anode.
Exercice 3
Soit une pile dont la réaction est Pb+2Ag+→Pb2++2Ag.
Si [Ag+]=0,01 mol/L et [Pb2+]=0,5 mol/L, calculer Qr.