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Physique-Chimie · 2ème Année Bac — Sciences et Technologies Mécaniques

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 critère d'évolution spontanée permet de prédire le sens d'évolution d'un système chimique hors équilibre.

  1. Quotient de réaction ($Q_r$) : Pour une réaction d'équation $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$, le quotient de réaction est défini par : $$Q_r = \frac{[C]^{c}{eq} \cdot [D]^{d}{eq}}{[A]^{a}{eq} \cdot [B]^{b}{eq}}$$ (On ne fait pas figurer les solides ni le solvant).
  2. 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 à l'état d'équilibre.
  3. Cas particulier des piles : Le sens du courant impose le sens de la réaction. Le pôle (+) est le siège d'une réduction, le pôle (-) d'une oxydation.

Méthodes à maîtriser

  • Calculer $Q_{r,i}$ : Identifier les concentrations initiales des espèces en solution.
  • Comparer $Q_{r,i}$ et $K$ : Toujours vérifier les unités (concentrations en $mol \cdot L^{-1}$).
  • Déterminer le sens d'évolution : Utiliser l'axe des valeurs de $Q_r$ pour visualiser la position par rapport à $K$.

Exemples corrigés

Soit la réaction : $Fe^{2+} + Ag^+ \rightleftharpoons Fe^{3+} + Ag(s)$ avec $K = 0,3$. Si $[Fe^{2+}]_i = 0,1 , mol/L$, $[Ag^+]_i = 0,1 , mol/L$, $[Fe^{3+}]i = 0,01 , mol/L$. $Q{r,i} = \frac{[Fe^{3+}]_i}{[Fe^{2+}]_i \cdot [Ag^+]i} = \frac{0,01}{0,1 \cdot 0,1} = 1$. Comme $Q{r,i} (1) > K (0,3)$, le système évolue dans le sens inverse.

Erreurs fréquentes

  • Oublier les coefficients stœchiométriques dans les puissances de $Q_r$.
  • Inclure l'eau ou les solides dans l'expression de $Q_r$.
  • Confondre $Q_{r,i}$ (valeur à un instant $t$) et $K$ (constante propre à la réaction à une température donnée).
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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Évolution spontanée d'un système chimique

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Le quotient de réaction $Q_r$ dépend de :

❓ Questions fréquentes

Comment savoir si je dois utiliser Qr ou K ?
  1. $K$ est une constante qui dépend uniquement de la température. Elle définit l'état d'équilibre.
  2. $Q_{r,i}$ est une valeur calculée à un instant précis (souvent l'instant initial) avec les concentrations présentes dans ton bécher.
  3. Tu compares les deux pour voir si ton système est "loin" ou "déjà à" l'équilibre.

💡 À retenir : $K$ est la cible, $Q_{r,i}$ est la position actuelle.

Kifach n7seb Qr ila kan l'equation fiha l'eau (solvant) ?
  1. Dans l'expression de $Q_r$, on ne met jamais le solvant (l'eau).
  2. On considère que sa concentration est constante et égale à 1.
  3. Tu ne notes que les espèces dissoutes (ions, molécules en solution) et les gaz.

💡 À retenir : L'eau est le solvant, elle n'apparaît jamais dans le quotient de réaction.

Est-ce que la valeur de K change si on ajoute de l'eau ?

Non, la constante d'équilibre $K$ ne dépend que de la température. Si tu changes la température, $K$ change. Si tu ajoutes de l'eau (dilution), tu modifies $Q_r$ car les concentrations changent, mais $K$ reste identique.

💡 À retenir : $K$ est une constante thermodynamique liée à la température.

Wash Qr katkon dima positive ?

Oui, car $Q_r$ est un rapport de concentrations, et une concentration est toujours une valeur positive.

💡 À retenir : $Q_r > 0$ toujours.

Comment on fait pour les solides dans Qr ?

Comme pour le solvant, les solides sont exclus de l'expression de $Q_r$. On considère leur activité égale à 1.

💡 À retenir : Solides et solvants = 1 dans $Q_r$.

Kifach n3ref wach l'evolution spontanée hiya sens 1 wla 2 ?
  1. Calcule $Q_{r,i}$.
  2. Compare avec $K$.
  3. Si $Q_{r,i} < K$, le système veut augmenter son $Q_r$ pour atteindre $K$, donc il favorise les produits (sens 1).
  4. Si $Q_{r,i} > K$, il doit diminuer $Q_r$, donc il favorise les réactifs (sens 2).

💡 À retenir : Le système "veut" toujours rejoindre $K$.

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

Le quotient de réaction $Q_r$ s'exprime avec les concentrations molaires $[X]$ en $mol \cdot L^{-1}$. Si tu as des quantités de matière $n$ dans un volume $V$, tu dois d'abord calculer $[X] = n/V$.

💡 À retenir : Utilise toujours les concentrations.

Si Q{r,i} = K, ça veut dire quoi ?

Cela signifie que le système est déjà à l'état d'équilibre chimique. Il n'y aura aucune évolution macroscopique visible.

💡 À retenir : État d'équilibre = pas d'évolution.

Est-ce que le catalyseur change le sens d'évolution ?

Non, le catalyseur accélère la réaction mais ne modifie ni $K$ ni le sens d'évolution spontanée.

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

Pourquoi on utilise des puissances dans Qr ?

Les puissances correspondent aux coefficients stœchiométriques de l'équation bilan équilibrée. C'est la loi d'action de masse.

💡 À retenir : Ne jamais oublier d'équilibrer l'équation avant de calculer $Q_r$.

Est-ce que la pression influence Qr ?

Pour les réactions en phase gazeuse, on peut exprimer $Q_r$ en fonction des pressions partielles. Au lycée, on travaille principalement avec les concentrations en phase aqueuse. (à vérifier par le professeur)

💡 À retenir : En solution, on utilise les concentrations.

Est-ce que K peut être très grand ?

Oui, si $K > 10^4$, la réaction est considérée comme totale. Si $K$ est très petit, la réaction est très limitée.

💡 À retenir : $K$ indique le taux de conversion maximal possible.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On mélange un volume $V = 100 , mL$ d'une solution de nitrate d'argent ($Ag^+ + NO_3^-$) de concentration $C_1 = 0,1 , mol/L$ et un volume $V = 100 , mL$ d'une solution de sulfate de fer II ($Fe^{2+} + SO_4^{2-}$) de concentration $C_2 = 0,1 , mol/L$. La constante d'équilibre associée à la réaction $Fe^{2+} + Ag^+ \rightleftharpoons Fe^{3+} + Ag(s)$ est $K = 0,3$.

  1. Calculer les concentrations initiales des ions en mélangeant les deux solutions.
  2. Déterminer le sens d'évolution spontanée du système.
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Exercice 2

Une pile est constituée d'une électrode de cuivre plongeant dans une solution de $Cu^{2+}$ ($0,1 , mol/L$) et d'une électrode d'argent dans une solution de $Ag^+$ ($0,01 , mol/L$). La réaction globale est $Cu(s) + 2Ag^+ \rightleftharpoons Cu^{2+} + 2Ag(s)$ avec $K = 2 \cdot 10^{15}$. Déterminer le sens d'évolution spontanée.

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Exercice 3

Soit la réaction $A + B \rightleftharpoons C + D$ avec $K = 1$. Initialement, on a $[A] = 0,1 , mol/L$, $[B] = 0,1 , mol/L$, $[C] = 0,2 , mol/L$, $[D] = 0,2 , mol/L$. Le système évolue-t-il ?

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