Physique-Chimie · 2ème Année Bac — Sciences Mathématiques B
تطور مجموعة كيميائية تلقائيا
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 critère d'évolution spontanée permet de prédire le sens d'évolution d'un système chimique hors équilibre.
Quotient de réaction $Q_r$ : Pour une réaction d'équation $\alpha A + \beta B \rightleftharpoons \gamma C + \delta D$, on a $Q_r = \frac{[C]^\gamma \cdot [D]^\delta}{[A]^\alpha \cdot [B]^\beta}$ (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 équilibre.
Piles : Une pile transforme l'énergie chimique en énergie électrique. Elle est constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin.
Équation de fonctionnement : À l'anode (pôle -), il y a oxydation. À la cathode (pôle +), il y a réduction.
Quantité d'électricité : $Q = I \cdot \Delta t = n(e^-) \cdot F$, avec $F = 96500 , C \cdot mol^{-1}$.
Méthodes à maîtriser
Calculer $Q_{r,i}$ à partir des concentrations initiales données.
Comparer $Q_{r,i}$ à la constante d'équilibre $K$ pour déterminer le sens d'évolution.
Pour une pile, identifier les couples oxydant/réducteur et écrire les demi-équations pour déterminer le sens du courant et des électrons.
Relier la variation de la masse des électrodes à la quantité d'électricité échangée via les demi-équations.
Exemples corrigés
Exemple 1 : Soit $Fe^{2+} + Ag^+ \rightleftharpoons Fe^{3+} + Ag$ avec $K = 0,3$. Si $[Fe^{2+}]_i = [Ag^+]_i = [Fe^{3+}]i = 0,1 , mol/L$, alors $Q{r,i} = \frac{0,1}{0,1 \cdot 0,1} = 10$. Comme $10 > 0,3$, le système évolue dans le sens inverse.
Erreurs fréquentes
Oublier de convertir les volumes ou les unités.
Confondre le sens du courant (vers le pôle -) et le sens des électrons (vers le pôle +).
Utiliser la constante $K$ au lieu de $Q_{r,i}$ pour déterminer le sens d'évolution initial.
🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR
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Pourquoi le quotient de réaction Qr n'a pas d'unité ?
Parce que dans la définition thermodynamique, on utilise des activités chimiques qui sont des grandeurs sans dimension. Au lycée, on utilise les concentrations molaires divisées par la concentration standard $C^\circ = 1 , mol/L$, ce qui rend le résultat sans unité.
💡 À retenir : $Q_r$ est toujours une grandeur sans unité.
Est-ce que Qr peut être négatif ?
Non, $Q_r$ est un rapport de concentrations (ou activités), et une concentration est toujours positive ou nulle. Par conséquent, $Q_r$ est toujours positif.
💡 À retenir : $Q_r > 0$.
Comment savoir si le système évolue dans le sens direct ou inverse ?
Calcule le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$ en utilisant les concentrations à l'instant initial.
Compare cette valeur à la constante d'équilibre $K$ donnée dans l'énoncé.
Si $Q_{r,i} < K$, le système évolue vers la droite (sens direct).
Si $Q_{r,i} > K$, le système évolue vers la gauche (sens inverse).
💡 À retenir : Le système cherche toujours à atteindre l'état d'équilibre où $Q_r = K$.
Kifach n7seb Qr ila kan 3ndi solb f tafa3ol ?
Les espèces solides (s) ne sont pas prises en compte dans l'expression du quotient de réaction.
Tu dois les remplacer par 1 dans la formule.
Exemple : pour $Zn(s) + Cu^{2+} \rightleftharpoons Zn^{2+} + Cu(s)$, on a $Q_r = \frac{[Zn^{2+}]}{[Cu^{2+}]}$.
💡 À retenir : Seules les espèces en solution aqueuse (aq) apparaissent dans $Q_r$.
Est-ce que la constante d'équilibre K change si on change les concentrations initiales ?
Non, la constante d'équilibre $K$ ne dépend que de la température. Elle est caractéristique de la réaction chimique à une température donnée. Les concentrations initiales modifient $Q_{r,i}$, ce qui change le sens d'évolution, mais pas la valeur de $K$.
💡 À retenir : $K = f(T)$ uniquement.
Chno hiya l'anode o chno hiya la cathode f pile ?
L'anode est le pôle négatif (-) : c'est là qu'a lieu l'oxydation (perte d'électrons).
La cathode est le pôle positif (+) : c'est là qu'a lieu la réduction (gain d'électrons).
Les électrons sortent toujours par l'anode et entrent par la cathode.
💡 À retenir : Anode = Oxydation, Cathode = Réduction.
Comment calculer la quantité d'électricité Q ?
Utilise la relation $Q = I \cdot \Delta t$ où $I$ est en Ampères et $\Delta t$ en secondes.
Utilise aussi $Q = n(e^-) \cdot F$ où $n(e^-)$ est la quantité de matière d'électrons échangés.
$F$ est la constante de Faraday ($96500 , C/mol$).
💡 À retenir : $I \cdot \Delta t = n(e^-) \cdot F$ est la clé pour les exercices sur les piles.
Kifach n3ref chkoun li kaysali f pile (l'espèce limitante) ?
Écris l'équation de fonctionnement de la pile.
Fais un tableau d'avancement.
Calcule l'avancement maximal $x_{max}$ pour chaque réactif.
Le réactif qui donne le plus petit $x_{max}$ est le réactif limitant.
💡 À retenir : La pile s'arrête de fonctionner quand le réactif limitant est totalement consommé.
Est-ce que le pont salin est nécessaire ?
Oui, le pont salin est indispensable. Il permet de fermer le circuit électrique et d'assurer l'électroneutralité des solutions dans les deux demi-piles en permettant la migration des ions. Sans lui, le courant ne circule pas.
💡 À retenir : Le pont salin assure la continuité électrique et l'électroneutralité.
Chno lfarq bin Q{r,i} et K ?
$Q_{r,i}$ est la valeur du quotient à un instant donné (souvent l'instant initial). $K$ est la valeur du quotient lorsque le système a atteint l'équilibre chimique.
💡 À retenir : $Q_{r,i}$ est une valeur instantanée, $K$ est une constante.
Comment savoir quel couple est oxydé et lequel est réduit dans une pile ?
Identifie le sens d'évolution spontanée en comparant $Q_{r,i}$ et $K$.
Si le sens est direct, le réactif du membre de gauche est oxydé.
Si le sens est inverse, le réactif du membre de droite est oxydé.
💡 À retenir : L'oxydation se produit toujours sur le réactif qui "disparaît" selon le sens d'évolution.
Est-ce que la température influence K ?
Oui, la constante d'équilibre $K$ dépend de la température. Si la température change, la valeur de $K$ change, ce qui peut modifier le sens d'évolution d'un système.
💡 À retenir : $K$ est une fonction de la température.
✍️ Exercices type examen national
Exercice 1
On considère une pile constituée de deux demi-piles : une lame de cuivre dans une solution de $Cu^{2+}$ ($0,1 , mol/L$) et une lame d'argent dans une solution de $Ag^+$ ($0,1 , mol/L$). La constante d'équilibre est $K = 2 \cdot 10^{15}$.
Une pile fonctionne pendant $\Delta t = 1 , h$ avec un courant $I = 0,5 , A$. Calculer la variation de masse de l'électrode de cuivre sachant que $M(Cu) = 63,5 , g/mol$.
Soit la réaction $Fe^{2+} + Ag^+ \rightleftharpoons Fe^{3+} + Ag$ avec $K = 0,3$. On mélange $10 , mL$ de $Fe^{2+}$ ($0,1 , M$), $10 , mL$ de $Ag^+$ ($0,1 , M$) et $10 , mL$ de $Fe^{3+}$ ($0,1 , M$). Déterminer le sens d'évolution.
Le critère d'évolution spontanée permet de prédire le sens d'évolution d'un système chimique hors équilibre.
Quotient de réaction Qr : Pour une réaction d'équation αA+βB⇌γC+δD, on a Qr=[A]α⋅[B]β[C]γ⋅[D]δ (les espèces solides et le solvant ne figurent pas).
Critère d'évolution :
Si Qr,i<K : Le système évolue dans le sens direct (sens 1).
Si Qr,i>K : Le système évolue dans le sens inverse (sens 2).
Si Qr,i=K : Le système est en équilibre.
Piles : Une pile transforme l'énergie chimique en énergie électrique. Elle est constituée de deux demi-piles reliées par un pont salin.
Équation de fonctionnement : À l'anode (pôle -), il y a oxydation. À la cathode (pôle +), il y a réduction.
Quantité d'électricité : Q=I⋅Δt=n(e−)⋅F, avec F=96500C⋅mol−1.
Méthodes à maîtriser
Calculer Qr,i à partir des concentrations initiales données.
Comparer Qr,i à la constante d'équilibre K pour déterminer le sens d'évolution.
Pour une pile, identifier les couples oxydant/réducteur et écrire les demi-équations pour déterminer le sens du courant et des électrons.
Relier la variation de la masse des électrodes à la quantité d'électricité échangée via les demi-équations.
Exemples corrigés
Exemple 1 : Soit Fe2++Ag+⇌Fe3++Ag avec K=0,3. Si [Fe2+]i=[Ag+]i=[Fe3+]i=0,1mol/L, alors Qr,i=0,1⋅0,10,1=10. Comme 10>0,3, le système évolue dans le sens inverse.
Erreurs fréquentes
Oublier de convertir les volumes ou les unités.
Confondre le sens du courant (vers le pôle -) et le sens des électrons (vers le pôle +).
Utiliser la constante K au lieu de Qr,i pour déterminer le sens d'évolution initial.
Si Qr,i=K, le système est :
Parce que dans la définition thermodynamique, on utilise des activités chimiques qui sont des grandeurs sans dimension. Au lycée, on utilise les concentrations molaires divisées par la concentration standard C∘=1mol/L, ce qui rend le résultat sans unité.
💡 À retenir : Qr est toujours une grandeur sans unité.
Non, Qr est un rapport de concentrations (ou activités), et une concentration est toujours positive ou nulle. Par conséquent, Qr est toujours positif.
💡 À retenir : Qr>0.
Calcule le quotient de réaction initial Qr,i en utilisant les concentrations à l'instant initial.
Compare cette valeur à la constante d'équilibre K donnée dans l'énoncé.
Si Qr,i<K, le système évolue vers la droite (sens direct).
Si Qr,i>K, le système évolue vers la gauche (sens inverse).
💡 À retenir : Le système cherche toujours à atteindre l'état d'équilibre où Qr=K.
Les espèces solides (s) ne sont pas prises en compte dans l'expression du quotient de réaction.
Tu dois les remplacer par 1 dans la formule.
Exemple : pour Zn(s)+Cu2+⇌Zn2++Cu(s), on a Qr=[Cu2+][Zn2+].
💡 À retenir : Seules les espèces en solution aqueuse (aq) apparaissent dans Qr.
Non, la constante d'équilibre K ne dépend que de la température. Elle est caractéristique de la réaction chimique à une température donnée. Les concentrations initiales modifient Qr,i, ce qui change le sens d'évolution, mais pas la valeur de K.
💡 À retenir : K=f(T) uniquement.
Utilise la relation Q=I⋅Δt où I est en Ampères et Δt en secondes.
Utilise aussi Q=n(e−)⋅F où n(e−) est la quantité de matière d'électrons échangés.
F est la constante de Faraday (96500C/mol).
💡 À retenir : I⋅Δt=n(e−)⋅F est la clé pour les exercices sur les piles.
Écris l'équation de fonctionnement de la pile.
Fais un tableau d'avancement.
Calcule l'avancement maximal xmax pour chaque réactif.
Le réactif qui donne le plus petit xmax est le réactif limitant.
💡 À retenir : La pile s'arrête de fonctionner quand le réactif limitant est totalement consommé.
Qr,i est la valeur du quotient à un instant donné (souvent l'instant initial). K est la valeur du quotient lorsque le système a atteint l'équilibre chimique.
💡 À retenir : Qr,i est une valeur instantanée, K est une constante.
Identifie le sens d'évolution spontanée en comparant Qr,i et K.
Si le sens est direct, le réactif du membre de gauche est oxydé.
Si le sens est inverse, le réactif du membre de droite est oxydé.
💡 À retenir : L'oxydation se produit toujours sur le réactif qui "disparaît" selon le sens d'évolution.
Oui, la constante d'équilibre K dépend de la température. Si la température change, la valeur de K change, ce qui peut modifier le sens d'évolution d'un système.
💡 À retenir : K est une fonction de la température.
Exercice 1
On considère une pile constituée de deux demi-piles : une lame de cuivre dans une solution de Cu2+ (0,1mol/L) et une lame d'argent dans une solution de Ag+ (0,1mol/L). La constante d'équilibre est K=2⋅1015.
Écrire l'équation de la réaction spontanée.
Calculer Qr,i.
Déterminer le pôle positif et le pôle négatif.
Exercice 2
Une pile fonctionne pendant Δt=1h avec un courant I=0,5A. Calculer la variation de masse de l'électrode de cuivre sachant que M(Cu)=63,5g/mol.
Exercice 3
Soit la réaction Fe2++Ag+⇌Fe3++Ag avec K=0,3. On mélange 10mL de Fe2+ (0,1M), 10mL de Ag+ (0,1M) et 10mL de Fe3+ (0,1M). Déterminer le sens d'évolution.