C09 : CRITERE D'EVOLUTION D'UNE REACTION CHIMIQUE

Objectifs : prévoir le sens spontané d’évolution d’une réaction chimique connaissant le quotient de réaction dans l’état initial Q_r,i et la constante d’équilibre K.

1. PRINCIPE

On réalise plusieurs mélanges contenant 4 espèces chimiques qui interviennent dans deux couples acide/base pour lesquels les pK_A sont donnés ci-dessous :

Une équation de réaction possible entre les espèces de ces couples s’écrit :

C₆H₅COOH_(aq) + CH₃CO₂^¯ _(aq) = C₆H₅CO₂^¯_(aq) + CH3COOH_(aq) ou pour simplifier A₁H+A₂^- = A₁^-+ A₂H

La mesure du pH à l’équilibre des mélanges obtenues et un calcul des rapports de concentrations à l'état initial et à l'équilibre permet de savoir comment le système a évolué :

• si le système a évolué de gauche à droite par rapport à l'équation proposée on en déduit que la réaction a eu lieu dans le sens direct de cette équation

• si le système a évolué de droite à gauche par rapport à l'équation proposée on en déduit que la réaction a eu lieu dans le sens inverse de cette équation

2. EXPERIENCE

• On utilise des solutions d’acide benzoïque, (S₁), de benzoate de sodium (S₂), d’acide éthanoïque (S₃) et d’éthanoate de sodium (S₄) de même concentration molaire c = 10^-2 mol.L^-1.

• Préparer les trois mélanges suivants à l'aide de différentes éprouvettes graduées adaptées aux volumes à mesurer.

• Agiter (avec un agitateur en verre) pour homogénéiser.
• Étalonner le pHmètre (pH=7 puis pH=4).
• Mesurer la valeur du pH (à 0,1 près) de chaque solution obtenue et l'indiquer dans le tableau (ligne 1).

3. EXPLOITATION DES RESULTATS

On appelle état initial, l’état du système après le mélange des réactifs, juste avant le début de la réaction.

1. Exprimer les rapports des concentrations initiales indiqués dans le tableau en fonction de c et de v₁, v₂, v₃ et v₄. Calculer ce rapport pour les différents mélanges afin de compléter les lignes 2 et 3 du tableau.
2. En appliquant la relation , calculer les mêmes rapports de concentrations pour l'état final de chaque mélange et compléter les lignes 4 et 5 tableau.
3. Comparer les rapports à l'état initial et à l'état final dans le cas de chaque couple et compléter les lignes 6, 7 et 8 du tableau.
4. Etablir l'expression de la constante de réaction à l'état initial Q_r,i en fonction des rapports a et b du tableau, les calculer et compléter la ligne 9 du tableau.
5. Faire le même travail pour calculer Q_r,f à partir des rapports d et e et compléter la ligne 10.
6. Établir l’expression de la constante d’équilibre K associée à l’équation proposée, en fonction des pK_A des 2 couples et calculer sa valeur. Finir de compléter le tableau (ligne 11).

7. Conclusion :

1. A quoi voit-on que tous les systèmes ont spontanément évolué vers un état d'équilibre ?
2. Compléter :

• Quand Q_r,i < K : le sens spontané de la transformation est le sens ………....de l'écriture de l’équation

• Quand Q_r,i > K : le sens spontané de la transformation est le sens ………….de l'écriture de l’équation

• Quand Q_r,i = K .....................................................................................................................................

Appliquer les résultats précédents à l’étude suivante :

On souhaite prévoir la transformation spontanée qui se produit quand on mélange dans un ballon :

• 50 mL d’une solution de sulfate de cuivre (II) à 5.10^-2 mol/L
• 50 mL d’une solution de zinc (II) à 5.10^-2 mol/L
• 1 copeau de cuivre
• 2,5 g de poudre de zinc

On envisage la réaction suivante : Zn²⁺_(aq) + Cu _(s) = Zn _(s) + Cu²⁺_(aq) (équation 1)

1. La constante d’équilibre associé à cette réaction a pour valeur K₁=10^-37. Donner l’expression littérale de cette constante.
2. Prévoir, en justifiant, le sens d’évolution spontané de la réaction.
3. Réaliser le mélange dans un ballon de 250 mL.
4. Boucher le ballon et agiter le mélange pendant une minute environ.
5. Laisser décanter puis observer la solution. Les observations sont-elles conformes aux prévisions 
6. On aurait pu aussi écrire l'équation : Cu²⁺_(aq) + Zn _(s) = Cu _(s) + Zn²⁺_(aq) (équation 2)

1. Quelles sont l’expression et la valeur de la constante d’équilibre K₂ associée à cette équation ?
2. Calculer, pour cette réaction, le quotient de réaction Q_ri2 du système, dans l’état initial.
3. Montrer qu’en raisonnant avec cette équation 2, on retrouve les mêmes conclusions qu’avec
   l’équation 1.

7. En raisonnant sur l'équation 1, prévoir ce qui doit se passer quand on met une lame de zinc dans une
   solution contenant des ions cuivre.
8. De même que va t-il se passer quand on met une lame de cuivre dans une solution d’ions Zn²⁺ ?

• pHmètre + solutions tampons 4 et 7
• éprouvette graduée de 10 mL
• éprouvette graduée de 25 mL
• éprouvette graduée de 50 mL
• 9 pots
• 4 pipettes plastique
• balance au cg + coupelle plastique
• ballon de 250 mL
• petit entonnoir
• un feutre marqueur

• solution d'acide éthanoïque 10^-2 mol.L^-1(3L par classe)
• solution d'acide benzoïque 10^-2 mol.L^-1. (3L par classe)
• solution d'acétate de sodium 10^-2 mol.L^-1. ( 3L par classe)
• solution de benzoate de sodium 10^-2 mol.L^-1. (3L par classe)
• solution de sulfate de cuivre(II) à 5.10^-2 mol.L^-1 (2L par classe)
• solution de sulfate de zinc (II) à 5.10-2 mol.L-1 (2L par classe)
• copeaux de cuivre
• poudre de zinc + 2spatules + soucoupe
• papier JosepH
• lames de cuivre
• Lames de zinc
• thermomètre sur support

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depuis le 1er septembre 2001