Terminale Spécialité · Physique-Chimie

Évolution Spontanée
d'un Système Chimique

Séquence n°1 — Fiche de révision pour le Baccalauréat · C. Poirault-Gauvin & M. François

PartiesA & B
ThèmePiles · Électrolyse · Énergie
NiveauTerminale SP
A Évolution spontanée d'un système chimique
A.1 — Transformation totale / non totale
Définitions

Totale : au moins un réactif entièrement consommé → xf = xmax, τ = 1.

Non totale : réactifs et produits coexistent → xf < xmax, τ < 1. L'équilibre est dynamique (réactions ① et ② se compensent).

Taux d'avancement final
τ = xf / xmax
τ = 1 → totale  |  τ < 1 → non totale
Tableau d'avancement — aA + bB → cC + dD
Avanc. n(A) n(B) n(C) n(D) 0n₁n₂00 xn₁−axn₂−bxcxdx xfn₁−axfn₂−bxfcxfdxf ← réactifs consommés (−)produits formés (+) →
A.2 — Critère d'évolution spontanée
Quotient de réaction Qr

Pour a A(aq) + b B(aq) ⇌ c C(aq) + d D(aq) :

Qr = ([C]/c°)c([D]/c°)d / ([A]/c°)a([B]/c°)b

c° = 1 mol·L⁻¹ · H₂O (solvant) et solides purs exclus · K(T) = Qr,éq · Si K > 10⁴ : totale

Qr,i vs K(T)Sens d'évolutionQr évolue vers
Qr,i < KSens direct →Qr ↗ jusqu'à K
Qr,i = KÉquilibrePas d'évolution
Qr,i > KSens indirect ←Qr ↘ jusqu'à K
A.3 — Réactions d'oxydo-réduction
Transfert d'électrons

Oxydation : Red → Ox + n e⁻ (perte e⁻)  ·  Réduction : Ox + n e⁻ → Red (gain e⁻)

Mnémo : OIL RIG — Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain

Transfert direct

Réactifs en contact : e⁻ passent directement. Pas de courant exploitable. Ex : lame Zn dans CuSO₄.

Transfert indirect → Pile

Réactifs séparés dans deux demi-piles : e⁻ circulent par circuit extérieur → courant électrique.

⚡ Schéma interactif — Pile vs Électrolyseur

Pile électrochimique & Électrolyseur — Daniell : Zn/Cu

Bascule entre les deux modes pour voir l'inversion des bornes, des électrons, du courant et des ions du pont salin

Électrons e⁻
Cations (+) pont salin
Anions (−) pont salin
Courant I conventionnel
Anode
—
Cathode
—
Électrons (circuit ext.)
—
Courant I (conventionnel)
—
Pont salin — Cations NH₄⁺
—
Pont salin — Anions NO₃⁻
—
Capacité électrique d'une pile
Qmax = n(e⁻)max × F = I × Δt
F = 9,65×10⁴ C·mol⁻¹ · Q en C · I en A · Δt en s
🔄
Inversion anode/cathode : Dans une pile, l'anode est la borne (−). Dans un électrolyseur, l'anode est reliée à la borne (+) du générateur. L'anode est toujours le siège de l'oxydation.
B Forcer le sens d'évolution
Électrolyse — charges et quantités de matière
q = I × Δt = n(e⁻) × F
q en C · I en A · Δt en s · n(e⁻) en mol · F = 9,65×10⁴ C·mol⁻¹

Pile

Énergie chimique → électrique. Réaction spontanée (Qr ≠ K). Usée quand Qr = K.

Accumulateur

Décharge = pile · Charge = électrolyseur. Réactions inversées lors de la recharge.

Pile à combustible

H₂ + O₂ → H₂O + électricité. Zéro CO₂. Enjeu majeur de la transition énergétique.

Stockage énergie

Batteries Li-ion (Nobel 2019), photosynthèse, éolien/solaire.

Oxydants et réducteurs usuels
EspèceTypeCoupleUsage
O₂OxydantO₂(g)/H₂O(l)Combustions, oxydation métaux
Cl₂OxydantCl₂(g)/Cl⁻(aq)Synthèse HCl, eau de Javel, PVC
ClO⁻OxydantClO⁻/Cl⁻Eau de Javel : désinfectant
H₂RéducteurH⁺(aq)/H₂(g)Synthèse NH₃, HCl, fusées
C₆H₈O₆ (vit. C)RéducteurC₆H₆O₆/C₆H₈O₆Antioxydant alimentaire E300
Métaux (bloc s)RéducteursMⁿ⁺/M(s)Cèdent facilement leurs e⁻
★ Méthode rapide — Bac
Étude d'une pile
  1. Identifier les deux couples oxydant/réducteur
  2. Écrire les deux demi-équations électrochimiques
  3. Combiner l'équation globale (égaliser les e⁻)
  4. Identifier anode (oxydation, borne −) et cathode (réduction, borne +)
  5. Rôle du pont salin : ferme le circuit + assure la neutralité électrique
  6. Calculer Qr,i, comparer à K → sens spontané
  7. Calculer Qmax = n(e⁻) × F si demandé
Pièges classiques