Évolution spontanée d'un système chimique — Cours Chimie Bac Agro

Q: Quel est le critère d'évolution spontanée d'un système chimique ?

Le système évolue toujours dans le sens qui rapproche son quotient de réaction Q_r de la constante d'équilibre K : sens direct si Q_r,i K.

Dans le programme du Bac Agro

Coefficient 5 en Bac Sciences Agronomiques. Ce chapitre généralise le critère Q_r/K aux réactions d'oxydoréduction et prépare l'étude des piles. Il éclaire aussi la corrosion des outils et des structures métalliques agricoles.

À l'épreuve

Calculer Q_r,i pour un système d'oxydoréduction, le comparer à K pour prévoir le sens spontané, justifier qu'une réaction de très grande constante est pratiquement totale, faire le lien avec la polarité d'une pile.

Objectifs d'apprentissage

Énoncer le critère d'évolution spontanée (comparaison de Q_r,i à K)
Appliquer ce critère à une réaction d'oxydoréduction
Écrire l'équation d'une réaction redox à partir des deux couples
Interpréter une grande constante d'équilibre (réaction quasi totale)
Faire le lien entre évolution spontanée et fonctionnement d'une pile

Notions clés

Critère d'évolution spontanée

Un système hors d'équilibre évolue dans le sens qui fait tendre

Q_r

vers

K

Q_{r,i}<K

→ sens direct ;

Q_{r,i}>K

→ sens inverse ;

Q_{r,i}=K

→ pas d'évolution. Ce critère prévoit le sens, pas la durée.

Application à l'oxydoréduction

Pour une réaction redox, on écrit

Q_r

avec les concentrations des espèces dissoutes (activité des solides et du solvant

=1

), puis on compare à

K

Vers la pile

Une transformation d'oxydoréduction spontanée peut être exploitée dans une pile : demi-réactions dans deux compartiments reliés par un pont salin, transfert d'électrons par un circuit extérieur produisant un courant.

Erreurs fréquentes

Comparer Q_r à 1 au lieu de le comparer à K.

Se tromper de sens : Q_r,i < K signifie qu'il manque des produits, donc sens direct.

Faire figurer les métaux solides (Fe, Cu…) dans l'expression de Q_r.

Exemple corrigé

Énoncé

On plonge une lame de fer dans une solution de sulfate de cuivre. Couples

Cu^{2+}/Cu

Fe^{2+}/Fe

; la réaction

Fe+Cu^{2+}=Fe^{2+}+Cu

a pour constante

K=10^{26}

. Initialement

[Cu^{2+}]=[Fe^{2+}]=0{,}10\ \text{mol/L}

. Calculer

Q_{r,i}

et prévoir l'évolution.

Correction

Quotient de réaction. Les métaux étant solides :

Q_r=\dfrac{[Fe^{2+}]}{[Cu^{2+}]}

État initial.

Q_{r,i}=\dfrac{0{,}10}{0{,}10}=1

Comparaison.

Q_{r,i}=1\ll K=10^{26}

: évolution spontanée dans le sens direct.

Interprétation. Le fer est oxydé (

Fe\to Fe^{2+}+2e^{-}

), les ions

Cu^{2+}

sont réduits (dépôt de cuivre rouge sur le fer).

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Exercice 1

Facile

Un système a

Q_{r,i}=3{,}0\times10^{2}

K=1{,}0\times10^{5}

. Dans quel sens évolue-t-il spontanément ?

Voir la correction

Q_{r,i}<K

: le système évolue dans le sens direct.

Exercice 2

Moyen

Écrire l'équation de la réaction entre le zinc (couple

Zn^{2+}/Zn

) et les ions

H^{+}

(couple

H^{+}/H_2

Voir la correction

Zn\to Zn^{2+}+2\,e^{-}

2\,H^{+}+2\,e^{-}\to H_2

. Bilan :

Zn+2\,H^{+}\to Zn^{2+}+H_2

Exercice 3

Difficile

Pour

Fe+Cu^{2+}=Fe^{2+}+Cu

(

K=10^{26}

), on part de

[Cu^{2+}]_i=1{,}0\times10^{-2}\ \text{mol/L}

[Fe^{2+}]_i=1{,}0\ \text{mol/L}

. Calculer

Q_{r,i}

, prévoir le sens, puis justifier que la réaction est pratiquement totale.

Voir la correction

Q_{r,i}=\dfrac{[Fe^{2+}]}{[Cu^{2+}]}=\dfrac{1{,}0}{1{,}0\times10^{-2}}=1{,}0\times10^{2}

Q_{r,i}=10^{2}\ll K=10^{26}

: sens direct. À l'équilibre,

Q_r=K=10^{26}

imposerait

\dfrac{[Fe^{2+}]}{[Cu^{2+}]}=10^{26}

, soit

[Cu^{2+}]\approx 10^{-26}\ \text{mol/L}

: négligeable. La réaction consomme la quasi-totalité des ions

Cu^{2+}

: elle est pratiquement totale.

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Questions fréquentes

Quel est le critère d'évolution spontanée d'un système chimique ?

Le système évolue toujours dans le sens qui rapproche son quotient de réaction Q_r de la constante d'équilibre K : sens direct si Q_r,i < K, sens inverse si Q_r,i > K.

Comment appliquer ce critère à une réaction d'oxydoréduction ?

On écrit l'équation redox à partir des deux couples, on exprime Q_r avec les concentrations des ions (les métaux solides comptent pour 1), on calcule Q_r,i et on le compare à K.

Le critère d'évolution renseigne-t-il sur la vitesse de la réaction ?

Non. Il indique seulement le sens de l'évolution. Une réaction spontanée peut être très lente : la cinétique est une question distincte (cas de la corrosion).