I. Qu'est ce qu'un équilibre chimique ? Une transformation est totale si la réaction s'arrête lorsqu'au moins un des réactifs a disparu (le réactif limitant) Quand tous les réactifs et les produits sont présents à l'état final, alors la réaction n'est pas totale le système est à l'état d'équilibre chimique. Cet état est symbolisé par dans l'équation : aA + bB cC + dD Le symbole signifie que les deux réactions opposées ont lieu simultanément. Le système est à l'état d'équilibre dynamique si la vitesse de disparition des réactifs est égale à la vitesse d'apparition des produits. II. Comment évolue un système ? A) Quotient de réaction Q. C'est le quotient du produit des activités des produits par le produit des activités réactives. Chaque activité étant élevée à la puissance de son coefficient stechiométrique, Dans le cas de la réaction aA + bB cC+dD, il vaut : Q, = produit/ réactif L'activité a d 'une espèce chimique X est une grandeur sans dimension : - si X est une espèce en solution : alpha(X) = [X]/c0 avec c =1 mol-L-1 si X est le solvant (l'eau en solution aqueuse) : alpha(X) =1 ; - si X est une espèce à l'état solide dans le mélange : alpha(X) =1 Exemple: En solution aqueuse, le quotient de réaction de la réaction à instant t: aA +bH20 -> cC +dD +eE pour expression : Qr= C×D/A Pas de solide B) Constante d'équilibre Lorsqu'un système atteint un état final d'équilibre, son quotient de réaction Qest égale à la constante d'équilibre notée K. K est une grandeur sans dimension qui ne dépend que de la température. C) Taux d'avancement final t (taux) Le taux d'avancement final tf, d'une réaction chimique est une grandeur sans unité et définie par la relation: tf= xf/xmax Il vaut 1 pour une transformation totale et est inféricur à 1 pour un équilibre chimique. D) Evolution spontanée d'un système Dans un système hors d'équilibre chimique, le système évolue le sens tel que le quotient de réaction Qr, s'approche et éventuellement atteigne la constante d'équilibre de la réaction K(T). aA(aq)+bB(aq)>cC(aq)+dD(aq) Si Q<K evolution dans le sens direct de l'equation Si Q>K evolution dans le sens inverse de l'équation III. La pile électrochimique A) Rappels Un oxydant est une espèce chimique susceptible d'obtenir un ou plusieurs électrons (en subissant ainsi une réduction). Un réducteur est une espèce chimique susceptible de céder un ou plusieurs électrons (en subissant ainsi une oxydation). B) Réaction d'oxydo-réduction (Rappels 1ère) C'est une réaction au cours de laquelle : Il y a un transfert d'électrons entre un oxydant et un réducteur. L'Oxydant Obtient des électrons, Réduction : Oxydant + ne = Réducteur Gain d'électron le réduCteur Cède des électrons. Oxydation : Réducteur = Oxydant + ne Perte d'électrons Si l'oxydant et le réducteur sont en contact, le transfert d'électrons se fait directement. Si l'oxydant et le réducteur ne sont pas en contact, le transfert d'électrons se fera par un circuit « extérieur » : c'est le cas de la pile. C) Constitution d'une pile électrochimique Elle-même est constituée de deux « demi-piles » contenant chacune un couple oxydant/réducteur. Les deux compartiments sont reliés par un pont salin permettent de maintenir la neutralité électrique des solutions. Une tension positive est mesurée par un voltmètre entre lélectrode positive et l'électrode négative. C'est un convertisseur d'énergie chimique en énergie électrique. D) fonctionnement de la pile Électrochimique Des électrons circulent dans les fils conducteurs et des jons circulent dans le pont salin pour assurer la neutralité électrique des solutions A la borne positive (anode), il y a oxydation : Zn= Zn2+ +2e A la borne négative (cathode) il y a réduction: Cu2+ +2e=Cu Bilan Cu2 + + Zn= Cu + Zn2+ E) Usure d'une pile électrochimique Une pile qui débite est un système chimique hors état d'équilibre : Q =/K. Au cours du fonctionnement de la pile, les quantités de l'oxydant Ox1 à la borne + et du réducteur Red2 à la borne négative diminuant. Une pile utilisée ne débite plus de courant et est donc un système à l'état d'équilibre: Qr=K (donc lorsque Ox1 ou Red2 a disparu entièrement). F) Capacité d'une pile électrochimique La capacité d'une pile Q est égale à la charge électrique maximale que la pile peut débiter Q=I x delta t avec Q coulombs (C) l en ampère (A) M secondes (s) On peut également calculer cette capacité en calculant la quantité d'électrons échangés lors de la réaction de la pile électrochimique : Q=n(e-) x NA x e= n(e-) x F Constante de Faraday F=NA x e = 96500 C. C 'est la charge d'une mole d'électrons Quantité de matière d'électrons échangés durant la durée de vie de la pile: n(e-) Constante d'Avogadro NA= 6.02x10**23 mol Charge de l'électron: e= 1,6x10**-18 C O donne h2p H des H+ Autre des e-