Physique-Chimie · terminale speGratuit

Chapitre 3 — Évolution d'un système chimique — équilibres et piles

L'essentiel en 30 secondes

Un système chimique évolue vers un état d'équilibre caractérisé par le quotient de réaction Qr = K (constante d'équilibre). Si Qr < K, la réaction évolue dans le sens direct ; si Qr > K, dans le sens inverse. Une pile électrochimique convertit l'énergie chimique en énergie électrique grâce à deux demi-piles reliées par un pont salin. La f.é.m. d'une pile dépend des couples ox/réd en jeu.

Notions clés

Quotient de réaction Qr: Grandeur calculée à partir des concentrations à un instant donné, avec la même expression que K mais hors équilibre.
Constante d'équilibre K: Valeur du quotient de réaction à l'équilibre. K ne dépend que de la température.
Pile électrochimique: Dispositif qui convertit l'énergie chimique d'une réaction d'oxydo-réduction spontanée en énergie électrique.
Pont salin: Dispositif assurant la continuité électrique entre les deux demi-piles et la neutralité électrique des solutions.
Force électromotrice (f.é.m.): Tension mesurée aux bornes de la pile en circuit ouvert (courant nul), notée E en V.

Formules

Quotient de réaction (pour aA + bB → cC + dD)

Q_r = \dfrac{\left(\dfrac{[\text{C}]}{c^\circ}\right)^c \cdot \left(\dfrac{[\text{D}]}{c^\circ}\right)^d}{\left(\dfrac{[\text{A}]}{c^\circ}\right)^a \cdot \left(\dfrac{[\text{B}]}{c^\circ}\right)^b}

Condition : c° = 1 mol·L⁻¹ ; les solides et le solvant n'apparaissent pas

Critère d'évolution spontanée

Q_r < K \Rightarrow \text{sens direct} \quad ; \quad Q_r > K \Rightarrow \text{sens inverse}

Capacité électrique d'une pile

Q_{\text{élec}} = n_e \cdot F

Condition : Q en C ; nₑ = quantité d'électrons échangés en mol ; F ≈ 96 500 C·mol⁻¹

Énergie électrique délivrée

W_{\text{élec}} = E \cdot Q_{\text{élec}} = E \cdot n_e \cdot F

Condition : W en J ; E = f.é.m. en V

A retenir

À l'équilibre, Qr = K : les concentrations n'évoluent plus macroscopiquement, mais les réactions directe et inverse se poursuivent à l'échelle microscopique (équilibre dynamique).
Dans une pile, l'oxydation a lieu à l'anode (borne −) et la réduction à la cathode (borne +).
Le pont salin laisse circuler les ions pour fermer le circuit et maintenir l'électroneutralité.

Erreurs classiques

Erreur : Inclure les solides ou le solvant (eau) dans l'expression de Qr.

Correction : Seules les espèces dissoutes (en solution) interviennent dans Qr. Les solides et le solvant ont une activité égale à 1.

Erreur : Inverser anode et cathode dans une pile.

Correction : Moyen mnémotechnique : Anode = Oxydation (les deux voyelles A et O vont ensemble) ; Cathode = Réduction.

Erreur : Penser que K change quand on modifie les concentrations.

Correction : K ne dépend que de la température. Si on change les concentrations, c'est Qr qui change, et le système évolue pour revenir vers Qr = K.

Astuce méthode

Au bac, pour prédire le sens d'évolution : calcule Qr,i avec les concentrations initiales, compare $à K$ . Si Qr,i $< K \to$ sens direct. Écris cette comparaison explicitement dans ta copie, c'est souvent un point facile $à$ décrocher.