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Chapitre 2 - Transformation Chimique
A / Évolution d’un système chimique
1 / Description de l’état d’un système chimique
Un système chimique est un ensemble d’espèces chimiques susceptibles de réagir ensemble. On décrit l’état d’un système chimique en précisant :
. la nature et la quantité de matière des espèces présentes.
. l’état physique : solide, liquide, ou gazeux.
. la température ( T ), et la pression du système ( P ).
2 / Transformation chimique
Après contact des espèces chimiques, on peut observer des modifications dans la composition du système. On dit que le système a évolué chimiquement. Des espèces chimiques sont consommées (les réactifs) et d’autres se sont formées (les produits).
Au cours de la transformation, le système passe d’un état initial à un état final. Lorsqu’il n’y a plus aucune évolution du système, on dit que la transformation est terminée.
Remarque :
Les espèces présentes à l’état initial et qui ne subissent aucune transformation chimiques sont dites spectatrices.
3 / Équation chimique associée à la réaction chimique
Pour indiquer dans quelles proportions les réactifs sont consommés et les produits sont formés, on écrit symboliquement la réaction chimique à l’aide d’une équation chimique.
Exemple : cas général
a A + b B ? c C + d D
Pour respecter la conservation des éléments chimiques, on ajuste (ou équilibre) les coefficients stœchiométriques devant les symboles chimiques qui nous renseignent sur les proportions, en mole, dans lesquelles les réactifs réagissent et le proportions dans lesquelles les produits sont obtenus.
Lorsque des ions interviennent, la charge globale des réactifs doit être égale à la charge globale des produits.
B / Avancement de la réaction
1 / Définition
L’avancement d’une réaction chimique est une variable x qui permet de déterminer les quantités de matière transformées et de produits formés.
Avec : x en mol.
à l’état initial : x = 0 mol.
x augmente au cours de la réaction et atteint une valeur xf qui correspond à un état final d’avancement maximale.
Remarque :
Par analogie avec le programme de seconde, xf est égal à xmax si la réaction est totale (tout le temps le cas en seconde et première).
2 / Tableau d’avancement d’une réaction chimique
Remarque :
Les réactions chimiques étant toujours instantané et totale en première, l’état intermédiaire est inutile (ce qui ne sera pas le cas en terminale avec la notion de cinétique).
Par définition, x est égal à la quantité de matière d’un produit formé si le coefficient stœchiométrique est égal à un dans l’équation chimique.
3 / Réaction stœchiométrique
Considérons l’équation de la réaction :
a A + b B ? c C + d D
La réaction chimique se déroule dans des conditions stœchiométriques (tous les réactifs sont totalement consommés) si l’équation suivante est vérifiée :
nA / a = nB / b = nC / c = nD / d
C / État final d’avancement maximal
1 / Exemple : tableau récapitulatif
On s’intéresse à la réaction chimique entre le Mg(s) et H+(aq) (conditions expérimentales : T = 20 °C et P = 1013 hPa) , avec n(Mg ) =2,0 mol et n(H+) = 3,0 mol à l’état initial.
Tableau d’avancement :
Conclusion :
L’état final d’avancement maximal du système chimique en évolution est atteint lorsque la quantité de matière d’au moins un des réactifs devient nulle.
2 / Détermination de l’avancement maximal
On peut déterminer la valeur de l’état final d’avancement maximal xmax à partir du tableau d’avancement. Pour cela, on détermine xmax pour chacun des réactifs (en utilisant l’équation proposée à l’état final) et on conserve le résultat le plus faible.
Hypothèse de calcul :
On envisage deux possibilités car il y’a deux réactifs.
Si Mg est le réactif limitant, on a alors :
n(Mg) = 2,0 – xmax = 0 , soit : xmax = 2,0 mol
Si H+ est le réactif limitant, on a alors :
n(H+) = 3,0 – 2xmax = 0 , soit : xmax = 1,5 mol
L’état final est donc obtenu pour xmax = 1,5 mol (on retient toujours le résultat le plus faible)
D / Bilan de matière à l’état final
Un bilan de matière consiste à déterminer la quantité de matière de toutes les espèces présentes dans un système chimique à l’état final pour lequel x = xmax.
Exemple : bilan de matière pour la réaction entre Mg et H+
On sait que xmax = 1,5 mol , donc, d’après le tableau d’avancement :
Réactif : H+ : réactif limitant : n(H+) = 0 mol
Mg : réactif en excès : n(Mg) = 2 – xmax = 2 – 1,5 = 0,5 mol
Produit : H2 : n(H2) = xmax = 1,5 mol
N(Mg2+) = xmax = 1,5 mol
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