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

Dans le programme du Bac SVT

Coefficient 5 en Bac SVT, derrière les Mathématiques et la SVT (coefficient 7). Le bloc chimie (cinétique, équilibres, acide-base, oxydoréduction, estérification) est commun aux filières expérimentales ; la transformation forcée (électrolyse) et le contrôle de l'évolution ne sont pas au programme SVT. Ce chapitre applique le critère d'évolution aux réactions d'oxydoréduction, préparant l'étude des piles.

À l'épreuve

Écriture de $Q_r$ pour une réaction d'oxydoréduction, comparaison de $Q_{r,i}$ et $K$ pour prévoir le sens spontané, application au fonctionnement d'une pile (polarité des électrodes, évolution de $Q_r$ vers $K$).

Objectifs d'apprentissage

Écrire le quotient de réaction d'une réaction d'oxydoréduction
Comparer Q_r,i et K pour prévoir le sens d'évolution spontanée
Identifier oxydation et réduction dans la transformation spontanée
Relier le sens spontané à la polarité des électrodes d'une pile
Savoir qu'une pile est usée lorsque Q_r = K

Notions clés

Critère d'évolution

Un système chimique évolue spontanément dans le sens qui rapproche

Q_r

K

: si

Q_{r,i}<K

, sens direct ; si

Q_{r,i}>K

, sens inverse. L'équilibre (

Q_r=K

) est l'état final.

Application à l'oxydoréduction

Pour

\text{réd}_1+\text{ox}_2\rightleftharpoons \text{ox}_1+\text{réd}_2

Q_r

ne fait intervenir que les espèces en solution (pas les solides ni les métaux). Le sens spontané indique quel métal est oxydé et quel ion est réduit.

Vers la pile

Une pile réalise la même transformation d'oxydoréduction, mais avec un transfert d'électrons par un circuit extérieur. Elle débite tant que

Q_r\neq K

; quand

Q_r=K

, elle est usée (f.é.m. nulle).

Erreurs fréquentes

Faire figurer un métal solide ou un solide dans Q_r.

Comparer Q_r,i et K sans tenir compte du sens d'écriture de l'équation.

Confondre « K grand » et « réaction instantanée » (K est thermodynamique, pas cinétique).

Croire qu'une pile débite indéfiniment.

Exemple corrigé

Énoncé

On considère les couples

\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}

\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}

. La réaction

\text{Zn}+\text{Cu}^{2+}\rightleftharpoons \text{Zn}^{2+}+\text{Cu}

a une constante

K\approx 10^{37}

. À l'état initial,

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

. Prévoir le sens d'évolution.

Correction

Quotient de réaction. Les solides

\text{Zn}

\text{Cu}

n'y figurent pas :

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

État initial.

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

Comparaison.

Q_{r,i}=1\ll K\approx 10^{37}

, donc le système évolue dans le sens direct.

Conclusion : le zinc est oxydé (

\text{Zn}\to \text{Zn}^{2+}

) et les ions cuivre sont réduits (

\text{Cu}^{2+}\to \text{Cu}

, dépôt de cuivre).

Le cours, puis l'entraînement.

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3 exercices pour t'entraîner

Exercice 1

Facile

Écrire le quotient de réaction de

\text{Zn}+\text{Cu}^{2+}\rightleftharpoons \text{Zn}^{2+}+\text{Cu}

Voir la correction

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

(les métaux solides n'apparaissent pas).

Exercice 2

Moyen

Pour

\text{Fe}^{2+}+\text{Ag}^{+}\rightleftharpoons \text{Fe}^{3+}+\text{Ag}

K=3

. À l'état initial :

[\text{Fe}^{2+}]=0{,}10

[\text{Ag}^{+}]=0{,}10

[\text{Fe}^{3+}]=0{,}30\ \text{mol/L}

. Prévoir le sens d'évolution.

Voir la correction

Q_{r,i}=\dfrac{[\text{Fe}^{3+}]}{[\text{Fe}^{2+}][\text{Ag}^{+}]}=\dfrac{0{,}30}{0{,}10\times 0{,}10}=30

. Comme

Q_{r,i}=30>K=3

, le système évolue dans le sens inverse (les ions

\text{Fe}^{3+}

sont réduits, l'argent est oxydé).

Exercice 3

Difficile

Pour la pile Daniell (demi-piles

\text{Zn}\,|\,\text{Zn}^{2+}

\text{Cu}\,|\,\text{Cu}^{2+}

), indiquer la polarité des électrodes, le sens de circulation des électrons dans le circuit extérieur, et ce qui se passe quand la pile est usée.

Voir la correction

Le sens spontané est

\text{Zn}+\text{Cu}^{2+}\to \text{Zn}^{2+}+\text{Cu}

. Le zinc est oxydé : c'est l'anode, borne −. Le cuivre est le siège de la réduction : c'est la cathode, borne +. Dans le circuit extérieur, les électrons vont de l'électrode de zinc (