Description et évolution d'unsystem physico-chimique
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Fiche de Révision : Description et Évolution d’un Système Physico-Chimique
1. Introduction
Un système physico-chimique est un ensemble de corps chimiques pouvant échanger de la matière et/ou de l’énergie avec l’extérieur. L’étude de son évolution repose sur la compréhension des réactions chimiques, des changements d’état, et des équilibres physico-chimiques.
2. Types de Systèmes
- Système isolé : Pas d’échange de matière ni d’énergie avec l’extérieur.
- Système fermé : Échange d’énergie, mais pas de matière.
- Système ouvert : Échange de matière et d’énergie.
3. Grandeurs Extensives et Intensives
| Type | Description | Exemples |
|---|---|---|
| Extensives | Proportionnelles à la quantité de matière | Masse ([Formule]), Volume ([Formule]), Nombre de moles ([Formule]) |
| Intensives | Indépendantes de la taille du système | Pression ([Formule]), Température ([Formule]), Densité ([Formule]) |
4. États de la Matière
- Solide : Forme et volume propres, forte cohésion moléculaire.
- Liquide : Volume propre, forme qui s’adapte au récipient.
- Gaz : Ni forme ni volume propres, très compressible.
5. Description d’un Corps Pur
- Nombre de moles : [Formule]
- Masse : [Formule], où [Formule] est la masse molaires.
- Volume : [Formule].
- Pression : [Formule].
- Densité : [Formule] (varie selon phase : liquide ou gaz).
6. Équation Générale d’une Réaction Chimique
Pour une réaction équilibrée :
[Formule mathématique]
où [Formule] sont les coefficients stœchiométriques (négatifs pour les réactifs, positifs pour les produits), et [Formule] les espèces chimiques.
7. Avancement de la Réaction
-
Définition : L’avancement [Formule] est une grandeur extensive qui mesure la progression de la réaction.
-
Variation du nombre de moles d’une espèce [Formule] en fonction de [Formule] :
[Formule mathématique]
- Avancement maximal : [Formule] déterminé par le réactif limitant.
8. Tableau d’Avancement
| Espèce | Initial [Formule] | Stœchiométrie [Formule] | Expression de la quantité [Formule] |
|---|---|---|---|
| Réactif 1 | [Formule] | [Formule] | [Formule] |
| Réactif 2 | [Formule] | [Formule] | [Formule] |
| Produit 1 | [Formule] ou [Formule] | [Formule] | [Formule] |
9. Modèle du Gaz Parfait
-
Hypothèses : Gaz monoatomique ou moléculaire sans interaction.
-
Équation d’état :
[Formule mathématique]
(avec [Formule] la constante des gaz parfaits, et [Formule] la température absolue).
- Densité du gaz :
[Formule mathématique]
10. Réactions Totales et Limitées
-
Réaction totale : [Formule] atteint, tous les réactifs limitants sont consommés.
-
Réaction limitée : [Formule] à l’équilibre.
-
Taux d’avancement :
[Formule mathématique]
-
Taux de conversion : Fraction de réactif consommé.
-
Rendement : Rapport entre la quantité de produit obtenu et la quantité théorique maximale.
11. Description d’un Mélange
- Fraction molaire d’une espèce [Formule] :
[Formule mathématique]
- Fraction massique :
[Formule mathématique]
12. Loi d’Action de Masse et Constante d’Équilibre [Formule]
Pour la réaction :
[Formule mathématique]
L’expression de la constante d’équilibre ([Formule]) à une température donnée est :
[Formule mathématique]
où [Formule] est l’activité de l’espèce [Formule].
13. Quotient de Réaction [Formule]
Au cours de la réaction, le quotient de réaction est défini par :
[Formule mathématique]
-
Critère d’évolution :
-
[Formule] : la réaction évolue dans le sens direct.
-
[Formule] : équilibre atteint.
-
[Formule] : reaction évolue dans le sens inverse.
-
14. Expression de l’Activité [Formule]
| Phase | Activité [Formule] | Remarques |
|---|---|---|
| Solide ou liquide pur | [Formule] | Activité constante, référence pure |
| Gaz pur | [Formule] | [Formule] = pression standard (1 bar) |
| Mélange gazeux | [Formule] | [Formule] = fraction molaire |
| Soluté (dilution) | [Formule] ou [Formule] | Pour solutions diluées |
| Solvant (dilution) | [Formule] | Activité proche de 1 en dilution |
15. Méthode de Détermination de l’Équilibre
-
Étapes :
-
Préparer un mélange initial.
-
Mesurer les concentrations ou pressions à l’équilibre.
-
Calculer [Formule] et comparer à [Formule].
-
Utiliser le tableau d’avancement pour déterminer [Formule].
-
16. Méthodes pour Déplacer un Équilibre
Selon le principe de Le Châtelier, l’équilibre peut être déplacé par :
| Paramètre | Effet sur l’équilibre |
|---|---|
| Température [Formule] | Favorise la réaction endothermique si [Formule] augmente |
| Pression [Formule] | Favorise le sens avec le moins de moles gazeuses |
| Quantité de matière [Formule] | Ajouter ou retirer un réactif ou produit |
17. Résumé des Relations et Concepts Clés
[Diagramme]
18. Exemple Concret : Synthèse de l’ammoniac (procédé Haber)
[Formule mathématique]
- Avancement maximal dépend du réactif limitant [Formule] ou [Formule].
- Constante d’équilibre [Formule] varie avec la température.
- Pression élevée favorise la formation de [Formule], car 4 moles gazeuses deviennent 2.
- Rendement limité par l’équilibre chimique et la cinétique, contrôlé en pratique par conditions optimales de [Formule] et [Formule].
Citation importante :
« Un système physico-chimique évolue spontanément vers un état d’équilibre défini par l’égalité du quotient de réaction et de la constante d’équilibre, conditionnée par la minimisation de l’énergie libre. »
Fin de la fiche de révision.
