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EVOLUTION D'UN SYSTEME AU COURS D'UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE - Leçon n° 4

 

Cette leçon comporte trois paragraphes.


1- TRANSFORMATION CHIMIQUE


1-1 Système chimique

Un système chimique, formé d'espèces chimiques en présence, est décrit par la nature de ces espèces chimiques, leur état physique (solide, liquide, gaz), leur quantité, la température et la pression.

Exemple de système chimique dans son état initial (aluminium et solution aqueuse d'acide chlorhydrique) :

Etat initial (avant transformation)

· Al (s) : 0,15 mole

· H +(aq) : 0,10 mole

· Cl -(aq) : 0,10 mole

· Eau (l) : en excès

· T = 298 K (soit environ 25° C)

· p = 1,013 ´ 10 5 Pa

La notation (s) désigne l'état solide. La notation (l) désigne l'état liquide. La notation (g) désigne l'état gazeux.

1-2 Transformation d'un système chimique

· Un système chimique subit une transformation chimique si la nature et (ou) la quantité de matière des espèces chimiques initialement présentes évolue au cours du temps. Les espèces qui disparaissent totalement ou en partie sont les réactifs. Les espèces chimiques qui apparaissent sont les produits de la transformation.

Remarque : On qualifie d'initial l'état d'un système chimique qui n'a pas encore subi de transformation et de final l'état du système lorsque la transformation est terminée.

· Le système précédent (aluminium Al et acide chlorhydrique H +(aq) + Cl -(aq) ) subit une transformation chimique à laquelle on peut associer l'équation de réaction :

2 Al (s) + 6 H +(aq) + 6 Cl -(aq) 2 Al + + +(aq) + 6 Cl -(aq) + 3 H2(g) (1)

- L'espèce chimique Cl -(aq) n'est pas modifiée, on dit que c'est une espèce chimique spectatrice. On peut la supprimer de l'équation :

2 Al (s) + 6 H +(aq) 2 Al + + +(aq) + 3 H2(g) (1 bis)

2 moles d'aluminium réagissent avec 6 moles d'ions H + pour donner 2 moles d'ions Al + + + et 3 moles de dihydrogène

Le coefficient placé devant chaque espèce chimique est appelé nombre stúchiométrique.

Ces nombres stúchiométriques sont choisis de façon à respecter :

- la conservation des éléments chimiques.

- la conservation de la charge électrique (6 charges électriques élémentaires positives dans l'équation 1 bis ci-dessus).

· Remarques :

- L'équation (1) peut aussi s'écrire :

Al (s) + 3 H + (aq) Al + + + (aq) + 3/2 H2 (g) (2)

- On peut aussi écrire l'ion H + (aq) sous la forme d'ion oxonium H3O + (voir la leçon 3) et écrire :

Al (s) + 3 H3O + Al + + + (aq) + 3/2 H2 (g) + 3 H2O (3)


2- EVOLUTION D'UN SYSTEME AU COURS D'UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE - AVANCEMENT D'UNE REACTION


2-1 Avancement d'une réaction chimique

L'avancement x d'une réaction est une grandeur, exprimée en mole, qui permet d'exprimer  les quantités de réactifs restants et de produits formés à tout instant de la transformation chimique qui permet de passer de l'état initial à l'état final.

Reprenons l'exemple précédent de l'action de l'acide chlorhydrique sur l'aluminium et exprimons l'état du système à un instant quelconque t (état intermédiaire) en fonction de l'avancement x de la réaction :

 

2-2 Réactif limitant

La réaction est terminée (système à l'état final) lorsque l'un des réactifs (au moins) a disparu. Ce réactif est appelé réactif limitant.

Remarque :  Si les réactifs étaient dans des proportions stúchiométrique alors ils disparaîtraient, tous, totalement. D'après l'équation :

2 Al (s) + 6 H + (aq) 2 Al + + + (aq) + 3 H2 (g) (1) cela se produirait si, initialement, on avait :

n( Al ) / 2 = n( H + ) / 6 (en mol)


2-3 Avancement maximal xmax  

L'avancement maximal xmax est atteint lorsque la quantité de réactif limitant est devenue nulle.

Recherchons l'avancement maximal dans l'exemple ci-dessus.

· Si le réactif limitant était l'aluminium Al, l'avancement maximal correspondrait à :

0,15 - xmax = 0

xmax = 0,15 mol.

Le tableau ci-dessus s'écrirait :

Cette hypothèse est fausse car elle donnerait n ( H + )final = - 0,05 mol. Cette valeur négative est absurde.

La seule autre hypothèse, consistant à supposer que le réactif limitant est l'ion  H + (aq), sera donc la bonne.

· La réaction sera terminée lorsque le réactif limitant H + (aq) aura disparu. Cela s'écrit :

0,10 - 3 xmax = 0

xmax = 0,10 / 3 = 0,033 mol.

Le tableau suivant donne, notamment, l'état final du système :

 

2-4 Hydrogène recueilli sur la cuve à eau

Les calculs ci-dessus montrent qu'à la fin de la réaction n (H2) = 0,075 mol de dihydrogène se sont dégagés.

- Ce gaz H2 peut se dégager dans l'air de la salle; il occupe alors tout le volume qui lui est offert. La température, après quelques instants, est T = 298 K (soit environ 25° C) et la pression du mélange air-hydrogène est égale à la pression atmosphérique p = 1,013 ´ 10 5 Pa (voir le tableau).

- Cet hydrogène gazeux peut être recueilli sur la cuve à eau :

Après quelques minutes, la température du gaz H2 est égale à la température ambiante, soit T = 298 K (environ 25° C).

- Calculons la pression du gaz emprisonné. On sait que cette pression est celle du point a. De plus :

pa - pb = Hab ´ meau ´ g qui s'écrit :

pa = Hab ´ meau ´ g + pb

pa = 0,11 ´ 10 3 ´ 9,8 + 1,013 ´ 10 5 = 1078 + 1,013 ´ 10 5

pa = 1,024 ´ 10 5 Pa

La pression du gaz H2 est donc :

p gaz = 1,024 ´ 10 5 Pa

- Calculons le volume Vgaz du gaz emprisonné. On sait que :

p gaz ´ Vgaz = n ´ R ´ T en admettant que l'hydrogène se comporte comme un gaz parfait.

1,024 ´ 10 5 Vgaz = 0,075 ´ 8,31 ´ 298 (avec R = 8,31 SI)

Vgaz = 0,0018 m3

Comme 1 m3 = 1000 L, on peut écrire :

Vgaz = 0,0018 m3 = 1,8 L

Remarque : Le volume de dihydrogène recueilli pourrait être mesuré expérimentalement en utilisant une éprouvette graduée initialement remplie d'eau avant de la retourner sur le tube à dégagement de la cuve remplie d'eau.

 

3- Conclusion


Quelques lois simples permettent de prévoir l'état final d'un système chimique subissant une transformation chimique à condition de connaître son état initial.

Remarque : Les situations plus délicates où la réaction n'est pas totale, même pour le réactif apparemment en défaut, seront, en partie, étudiées en classe terminale. C'est le cas des réactions chimiques aboutissant à un équilibre.

 

A VOIR :

Connaissances du cours de Chimie 4

Problème résolu n° 4-A : Précipitation de l'hydroxyde de zinc

Problème n° 4-B (à résoudre) :

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