Critère d’évolution spontanée des systèmes chimiques

On considère la réaction entre l’acide méthanoïque HCOOH_(aq) et l’ion éthanoate CH₃COO^–_(aq).

1. Nommer les couples acidobasiques en présence et écrire leur demi-équation protonique ; en déduire l’équation de la réaction considérée ici.

2. Donner l’expression du quotient de réaction Qr de la réaction.

3. Donner l’expression de la constante d’équilibre K relative à l’équation de cette réaction. La calculer, en expliquant votre démarche.

4. On dispose de 4 solutions aqueuses des quatre espèces acido-basiques considérées ici, à la concentration en soluté apportée C = 1,0.10^–2 mol.L^–1. Leur réaction avec l’eau étant limitée, on considère que C est également la concentration effective des espèces en solution.

On considère

trois états initiaux particuliers :

Données

·         pK_A1  (acide méthanoïque/ion méthanoate) = 3,8

·         pK_A2 (acide éthanoïque/ion éthanoate) = 4,8

5. conclusions

5.1. Commenter la valeur de Q_r,f obtenue (en particulier, la comparer avec K). Que pouvez-vous conclure ?

5.2. Pour chaque mélange,

a. Comparer la valeur de Qr,i et celle de la constante K.

b. En comparant les valeurs des rapports de concentrations initiales et finales, conclure sur le

sens d’évolution du système chimique décrit par l’équation déterminée au 1.

5.3.Généraliser et proposer un énoncé du critère d’évolution spontané d’un système chimique, critère basé sur la comparaison du quotient réactionnel initial Qr,i du système et de la constante d’équilibre K.

Application 1

Une solution de volume V = 100 ,0 mL contient dans l’état initial 1,0 mmol d’acide benzoïque C₆H₅COOH_(aq) ; 2,0 mmol d’éthanoate de sodium CH3COONa_(s) ; 1,0 mmol de benzoate de sodium HCOONa_(s) et 1,0 mmol d’acide éthanoïque CH₃COOH_(aq).

1. Ecrire l’équation de la réaction modélisant la transformation chimique entre l’acide éthanoïque et l’ion benzoate.

2. Déterminer la constante d’équilibre associée à l’équation de cette réaction.

3. Exprimer le quotient de réaction initial.

4. Comment évolue le système chimique ?

Données : CH3COOH_(aq)/CH3COO^-_(aq) : pKa1 = 4,8   

C6H5COOH_(aq)/C6H5COO^–_(aq) : pKa2 = 4,2

Application 2

On considère la transformation chimique impliquant les ions cérium Ce⁴⁺_(aq) et les ions fer Fe²⁺_(aq), de constante d’équilibre K = 3,6.10¹⁵. On réalise le mélange suivant.

1. Quel est le volume du mélange réactionnel ?

2. Donner l’expression du quotient de réaction et calculer sa valeur initiale.

3. Comment évolue le système chimique ?

Données :

Couples redox mis en jeu : Ce⁴⁺_(aq)/Ce³⁺_(aq) et Fe³⁺_(aq)/Fe²⁺_(aq)