CHAPITRE 2 : Évolution d'un système chimique

Objectifs :

- A partir de données expérimentales, identifier le transfert d’électrons entre deux réactifs et le modéliser par des demi-équations électroniques et par une réaction d’oxydo-réduction.
- Établir une équation de la réaction entre un oxydant et un réducteur, connaissant les deux couples oxydant-réducteur.
- Décrire qualitativement l’évolution des quantités de matières des espèces chimiques lors d’une transformation.
- Établir le tableau d’avancement d’une transformation chimique à partir de l’équation de la réaction et des quantités de matière initiales des espèces chimiques afin de déduire la composition du système dans l’état final.
- Comparer l’avancement maximal d’une réaction et l’avancement final.

I. Réactions d'oxydo-réduction

1. Couple oxydant/réducteur

Deux espèces chimiques, qui, au cours d’une transformation chimique, se transforment l’une en l’autre par gain ou perte d’électron(s), sont dites conjuguées et forment un couple oxydant/réducteur.
L’oxydant est l’entité du couple susceptible de capter un ou plusieurs électrons. Le réducteur est l’entité du couple susceptible de céder un ou plusieurs électrons.
La demi-équation d’oxydoréduction ou demi-équation électronique associée à un couple oxydant/réducteur Ox/Red traduit la transformation possible d’une des espèces conjuguées en l’autre :
$$Ox + ne^{-} = Red$$
Avec ne- qui représente le nombre n d’électrons perdus ou gagnés.
Une oxydation correspond à une perte d’électrons alors qu’une réduction correspond à un gain d’électrons.

2. Écriture des demi-équations électroniques

Pour établir la demi-équation associée au couple oxydant/réducteur on doit suivre les étapes suivantes :
- Placer l’oxydant et le réducteur de part et d’autre du signe égal.
- Ajuster les nombres stœchiométriques afin que les éléments autres que l’hydrogène et l’oxygène soient conservés.
- Assurer la conservation de l’élément oxygène en ajoutant des molécules d’eau.
- Assurer la conservation de l’élément hydrogène en ajoutant des ions H+.
- Assurer la conservation de la charge électrique en ajoutant des électrons.

3. Équation de réaction d'oxydo-réduction

L’équation associée à une réaction d’oxydoréduction ne fait pas apparaître d’électrons : elle s’écrit en combinant les demi-équations associées aux deux couples Ox/Red en présence, de façon à égaliser le nombre d’électrons cédés et captés.

II. Évolution d'un système chimique

1. Réactif limitant et stœchiométrie

On appelle stœchiométrie les relations de proportionnalité qui existent entre les quantités de matière consommées des réactifs et entre les quantités de matière formées des produits lors d’une transformation chimique.
Dans une réaction chimique, le réactif limitant est le réactif qui est totalement consommé.

2. Avancement

L’avancement d’une réaction, noté x, est une grandeur, exprimée en mole, qui permet de décrire l’évolution d’un système chimique. Il augmente depuis 0 mol dans l’état initial jusqu’à sa valeur finale, nommée avancement final, dans l’état final.

3. Avancement final et avancement maximal

Une transformation totale est une transformation chimique qui s’arrête du fait de la consommation totale d’un de ses réactifs. L’avancement final est alors égal à une valeur maximale xmax, nommée avancement maximal. Les autres réactifs, qui n’ont alors pas été entièrement consommés, sont dits en excès.
Une transformation non totale est une transformation qui s’arrête alors qu’aucun des réactifs n’a été entièrement consommé : l’avancement final xf est alors inférieur à l’avancement maximal xmax.

III. Composition du système dans l'état final

Lors d’une transformation chimique, les réactifs sont consommés, leurs quantités de matière diminuent alors au cours du temps. Au contraire, les produits sont formés et donc leurs quantités de matière augmentent.
Afin de modéliser l’évolution du système, on utilise un tableau d’avancement qui donne l’évolution des quantités de matière des réactifs et des produits de l’état initial à l’état final en fonction de l’avancement x.

1. Le tableau d'avancement

Dans un tableau d’avancement, la première ligne présente l’équation ajustée de la réaction qui modélise la transformation réalisée.
Les autres lignes donnent les quantités de matière des espèces chimiques pour différents états de la transformation :
- l’état initial à t = 0 s pour lequel l’avancement est nul (x = 0) ;
- l’état intermédiaire pour lequel l’avancement est noté x ;
- l’état final caractérisé par un avancement xf .
Les nombres placés devant l’avancement x sont égaux aux nombres stœchiométriques de l’équation. Ils sont précédés d’un signe « - » pour les réactifs et d’un signe « + » pour les produits.
Le nombre stœchiométrique 1 n’est pas écrit.

Exemple : On considère la réaction de ni,Ag+ d’ions Ag+ avec ni,Cu de cuivre métallique Cu pour former de l’argent métallique Ag et des ions Cu2+.

L’avancement final xf est l’avancement mesuré lorsqu’il n’y a plus aucune évolution du système.

2. Détermination du réactif limitant pour une transformation totale

Pour identifier le réactif limitant, il faut rechercher la valeur de l’avancement maximal pour chacun des réactifs. Le réactif limitant est celui pour lequel la valeur de l’avancement maximal est la plus petite.

Remarque : Un mélange initial est stoechiométrique si les quantités initiales des réactifs sont dans les proportions stœchiométriques de ces réactifs. Dans l’état final, les quantités des réactifs sont nulles ; seuls sont présents les produits de la réaction.

3. État final pour une transformation non totale

Dans le cas d’une réaction non totale, le réactif limitant n’est pas consommé totalement. Le système est composé des réactifs restants et des produits formés.
La connaissance d’une de leur quantités de matière finales et des quantités de matière initiales permet de déterminer l’avancement final xf et donc toutes les quantités de matières finales.

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