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BCPST2 · Physique-chimie · semaine 5

Principes de la thermodynamique appliqués aux transformations physico-chimiques

Grandeurs standard de réaction, enthalpie standard de formation, loi de Hess et approximation d'Ellingham. Détermination de la constante thermodynamique d'équilibre et du sens d'évolution par le signe de l'enthalpie libre de réaction. Effet de la modification d'un paramètre sur l'état d'équilibre et optimisation d'un procédé chimique.

Sommaire

Le cours

Résumé en cinq points

  1. ΔrX=∑iνiXi\Delta_r X = \sum_i \nu_i X_i. La loi de Hess donne ΔrH∘\Delta_r H^\circ à partir des enthalpies standard de formation, et ΔrS∘\Delta_r S^\circ à partir des entropies molaires standard absolues.
  2. ΔrG=ΔrG∘+RTln⁡Q\Delta_r G = \Delta_r G^\circ + RT \ln Q, et à l'équilibre ΔrG=0\Delta_r G = 0, d'où ΔrG∘=−RTln⁡K∘\Delta_r G^\circ = -RT \ln K^\circ.
  3. Le sens d'évolution se lit sur la comparaison de QQ et K∘K^\circ : Q<K∘Q < K^\circ fait avancer la réaction dans le sens direct.
  4. Dans l'approximation d'Ellingham, ΔrG∘=ΔrH∘−T ΔrS∘\Delta_r G^\circ = \Delta_r H^\circ - T\,\Delta_r S^\circ et ln⁡K∘\ln K^\circ est affine en 1/T1/T. Une élévation de température favorise le sens endothermique.
  5. Une augmentation de pression favorise le côté qui contient le moins de gaz. Une perturbation s'analyse toujours en recalculant QQ et en le comparant à K∘K^\circ.
Pourquoi ce chapitre

Ce chapitre rend la chimie prédictive. À partir de tables, on sait dire si une réaction dégage ou absorbe de la chaleur, jusqu'où elle va, dans quel sens elle démarre, et comment la pousser en modifiant température, pression ou proportions. La constante d'équilibre K∘K^\circ, dont la valeur était simplement donnée en première année, se calcule désormais.

Le raisonnement sert ensuite :

  • en équilibres en solution aqueuse ;
  • en métallurgie et en synthèse industrielle ;
  • en biologie, où l'hydrolyse de l'ATP et les couplages énergétiques se lisent avec les mêmes outils ;
  • en géologie, où les équilibres de carbonates dépendent de la température et de la pression.

Aux concours, c'est un fournisseur régulier de questions calculatoires courtes et bien balisées.

1Grandeurs de réaction

1.1Avancement et grandeur de réaction

Définition 1.1Avancement

Pour une réaction d'équation ∑iνiAi=0\sum_i \nu_i A_i = 0, les nombres stœchiométriques νi\nu_i sont positifs pour les produits et négatifs pour les réactifs. L'avancement ξ\xi, en moles, est défini par ni(ξ)=ni(0)+νiξ.n_i(\xi) = n_i(0) + \nu_i \xi.

Définition 1.2Grandeur de réaction

Pour une grandeur extensive XX du système, la grandeur de réaction est la dérivée partielle ΔrX=(∂X∂ξ)T,P.\Delta_r X = \left(\frac{\partial X}{\partial \xi}\right)_{T,P}.

Elle est intensive et s'exprime « par mole d'avancement », donc en  J.mol−1\unite{J.mol^{-1}} pour une énergie.

AttentionDépendance de l'écriture

La valeur de ΔrX\Delta_r X dépend de l'écriture de l'équation de réaction : doubler les coefficients double ΔrX\Delta_r X. Il faut toujours préciser l'équation à laquelle une grandeur de réaction se rapporte.

1.2État standard et grandeurs standard

Définition 1.3État standard

L'état standard d'un constituant, à une température TT donnée, est un état de référence conventionnel sous la pression standard P∘=1 barP^\circ = 1 \unite{bar} :

  • pour un gaz, le gaz pur se comportant comme un gaz parfait sous P∘P^\circ ;
  • pour un solide ou un liquide, le corps pur sous P∘P^\circ ;
  • pour un soluté, le soluté à la concentration c∘=1 mol.L−1c^\circ = 1 \unite{mol.L^{-1}} dans une solution qui garderait les propriétés d'une solution infiniment diluée.

La température n'est pas fixée par la convention : il existe un état standard à chaque température. On note les grandeurs standard avec un exposant rond, ΔrH∘(T)\Delta_r H^\circ(T), ΔrS∘(T)\Delta_r S^\circ(T), ΔrG∘(T)\Delta_r G^\circ(T). Elles ne dépendent que de TT.

1.3Enthalpie standard de réaction et loi de Hess

Définition 1.4Enthalpie standard de formation

L'enthalpie standard de formation ΔfH∘(T)\Delta_f H^\circ(T) d'un corps est l'enthalpie standard de la réaction qui forme une mole de ce corps à partir de ses éléments pris dans leur état standard de référence.

L'état standard de référence d'un élément est le corps simple le plus stable à la température considérée et sous P∘P^\circ :

  • le dioxygène gazeux pour l'oxygène ;
  • le carbone graphite pour le carbone ;
  • le diazote gazeux pour l'azote ;
  • le dibrome liquide pour le brome.

Par construction, l'enthalpie standard de formation d'un corps simple dans son état standard de référence est nulle.

Loi 1.5Loi de Hess

Hypothèse : HH est une fonction d'état.

Alors ΔrH∘(T)=∑iνiΔfHi∘(T).\Delta_r H^\circ(T) = \sum_i \nu_i \Delta_f H^\circ_i(T). On peut remplacer la réaction par un détour passant par les éléments.

De même, avec les entropies molaires standard absolues Sm,i∘S^\circ_{m,i}, tabulées et positives pour tout corps (le troisième principe, non exigible, fixe l'origine) : ΔrS∘(T)=∑iνiSm,i∘(T).\Delta_r S^\circ(T) = \sum_i \nu_i S^\circ_{m,i}(T).

Interprétation des signes, deux capacités explicitement demandées :

Propriété 1.6Signe de l'enthalpie standard de réaction

  • ΔrH∘<0\Delta_r H^\circ < 0 : la réaction est exothermique, elle cède de l'énergie par transfert thermique lorsqu'elle est menée à température constante.
  • ΔrH∘>0\Delta_r H^\circ > 0 : elle est endothermique.

RemarqueOrdres de grandeur

Une combustion donne quelques centaines à quelques milliers de  kJ.mol−1\unite{kJ.mol^{-1}} en valeur absolue. Une neutralisation acide fort base forte donne environ −57 kJ.mol−1-57 \unite{kJ.mol^{-1}}.

Propriété 1.7Signe de l'entropie standard de réaction

Le signe de ΔrS∘\Delta_r S^\circ se prévoit en regardant la variation de la quantité de matière gazeuse :

  • si elle augmente, ΔrS∘>0\Delta_r S^\circ > 0 ;
  • si elle diminue, ΔrS∘<0\Delta_r S^\circ < 0 ;
  • si aucun gaz n'intervient, on compare les états physiques et le nombre d'entités.

Ordre de grandeur : environ 150 J.K−1.mol−1150 \unite{J.K^{-1}.mol^{-1}} par mole de gaz créée.

Exemple 1.8Synthèse de l'ammoniac

Pour N2(g)+3 H2(g)=2 NH3(g)\mathrm{N_2(g) + 3\,H_2(g) = 2\,NH_3(g)}, on passe de 4 moles de gaz à 2, donc ΔrS∘<0\Delta_r S^\circ < 0. La valeur tabulée est proche de −200 J.K−1.mol−1-200 \unite{J.K^{-1}.mol^{-1}}, et ΔrH∘≈−92 kJ.mol−1\Delta_r H^\circ \approx -92 \unite{kJ.mol^{-1}}.

2Effets thermiques en réacteur monobare

2.1Réacteur monobare isotherme

À pression constante et sans travail autre que celui des forces de pression, le premier principe donne QP=ΔHQ_P = \Delta H. Si la transformation se fait à température constante avec un avancement ξ\xi, et si l'on néglige la dépendance des grandeurs avec les activités, on écrit QP=ΔrH∘×ξ.Q_P = \Delta_r H^\circ \times \xi.

Une réaction exothermique menée à température constante cède donc QP<0Q_P < 0 au thermostat. C'est la base de la calorimétrie : mesurer QPQ_P donne accès à ΔrH∘\Delta_r H^\circ.

2.2Réacteur adiabatique monobare

Si le réacteur est modélisé comme adiabatique, QP=0Q_P = 0, donc ΔH=0\Delta H = 0 pour la transformation réelle. Mais la température finale est inconnue. On utilise alors la propriété de fonction d'état de HH et un chemin fictif en deux étapes :

  • étape 1 : la réaction se déroule à la température initiale TiT_i avec l'avancement final ξf\xi_f, d'où ΔH1=ΔrH∘(Ti)×ξf\Delta H_1 = \Delta_r H^\circ(T_i) \times \xi_f ;
  • étape 2 : le contenu final du réacteur est porté de TiT_i à TfT_f, d'où ΔH2=CP,final×(Tf−Ti)\Delta H_2 = C_{P,\text{final}} \times (T_f - T_i).

La condition ΔH1+ΔH2=0\Delta H_1 + \Delta H_2 = 0 donne TfT_f. Une réaction exothermique élève la température, une réaction endothermique l'abaisse. Cette température, appelée température de flamme dans le cas d'une combustion, est toujours une borne supérieure de la température réelle, puisque le réacteur n'est jamais parfaitement adiabatique.

AttentionCapacité thermique de l'étape 2

La capacité thermique à utiliser dans l'étape 2 est celle du système après réaction, produits et éventuels réactifs en excès ou constituants inertes compris.

3Enthalpie libre de réaction et constante d'équilibre

3.1Définitions et relation fondamentale

Définition 3.1Enthalpie libre de réaction

L'enthalpie libre de réaction est ΔrG=(∂G∂ξ)T,P.\Delta_r G = \left(\frac{\partial G}{\partial \xi}\right)_{T,P}. Avec l'identité d'Euler et l'identité thermodynamique, on a ΔrG=∑iνiμi.\Delta_r G = \sum_i \nu_i \mu_i.

En reportant μi=μi∘+RTln⁡ai\mu_i = \mu_i^\circ + RT \ln a_i, on obtient ΔrG=ΔrG∘+RTln⁡Q,\Delta_r G = \Delta_r G^\circ + RT \ln Q, avec ΔrG∘=∑iνiμi∘\Delta_r G^\circ = \sum_i \nu_i \mu_i^\circ.

Définition 3.2Quotient de réaction

Le quotient de réaction Q=∏iaiνiQ = \prod_i a_i^{\nu_i} est construit avec les activités instantanées.

3.2Constante thermodynamique d'équilibre

À l'équilibre chimique, l'enthalpie libre du système est minimale, donc ΔrG=0\Delta_r G = 0. Cela impose que le quotient de réaction prenne une valeur particulière.

Définition 3.3Constante thermodynamique d'équilibre

La constante thermodynamique d'équilibre K∘(T)K^\circ(T) est la valeur de QQ à l'équilibre : ΔrG∘(T)=−RTln⁡K∘(T),\Delta_r G^\circ(T) = -RT \ln K^\circ(T), soit K∘(T)=exp⁡(−ΔrG∘(T)RT).K^\circ(T) = \exp\left(-\frac{\Delta_r G^\circ(T)}{RT}\right).

K∘K^\circ est sans dimension et ne dépend que de la température.

RemarqueOrdre de grandeur

À 298 K298 \unite{K}, RTln⁡10≈5,7 kJ.mol−1RT \ln 10 \approx 5{,}7 \unite{kJ.mol^{-1}}. Donc ΔrG∘=−57 kJ.mol−1\Delta_r G^\circ = -57 \unite{kJ.mol^{-1}} correspond à K∘=1010K^\circ = 10^{10}, et ΔrG∘=+57 kJ.mol−1\Delta_r G^\circ = +57 \unite{kJ.mol^{-1}} à K∘=10−10K^\circ = 10^{-10}.

3.3Critère d'évolution

Comme dG=ΔrG dξ\dd G = \Delta_r G \,\dd\xi à TT et PP constantes et que dG⩽0\dd G \leqslant 0 :

  • si ΔrG<0\Delta_r G < 0, alors dξ>0\dd\xi > 0 : la réaction avance dans le sens direct ;
  • si ΔrG>0\Delta_r G > 0, alors dξ<0\dd\xi < 0 : elle recule ;
  • si ΔrG=0\Delta_r G = 0, le système est à l'équilibre chimique.

Puisque ΔrG=RTln⁡(Q/K∘)\Delta_r G = RT \ln(Q/K^\circ), le critère se traduit immédiatement :

  • Q<K∘Q < K^\circ : évolution dans le sens direct ;
  • Q>K∘Q > K^\circ : évolution dans le sens indirect ;
  • Q=K∘Q = K^\circ : équilibre chimique.

On retrouve ainsi le critère admis en première année.

AttentionRupture d'équilibre

Si une des espèces solides ou une phase condensée pure disparaît totalement avant que QQ n'atteigne K∘K^\circ, le système est en rupture d'équilibre et l'égalité Q=K∘Q = K^\circ n'est jamais réalisée.

À retenir

ΔrG=ΔrG∘+RTln⁡Q\Delta_r G = \Delta_r G^\circ + RT \ln Q, et ΔrG∘=−RTln⁡K∘\Delta_r G^\circ = -RT \ln K^\circ. Sens direct si Q<K∘Q < K^\circ.

3.4Approximation d'Ellingham et relation de van't Hoff

Définition 3.4Approximation d'Ellingham

L'approximation d'Ellingham consiste à supposer ΔrH∘\Delta_r H^\circ et ΔrS∘\Delta_r S^\circ indépendantes de la température, sur un domaine où aucun constituant ne change d'état.

On a alors ΔrG∘(T)=ΔrH∘−T ΔrS∘,\Delta_r G^\circ(T) = \Delta_r H^\circ - T\,\Delta_r S^\circ, fonction affine de TT, et ln⁡K∘(T)=−ΔrH∘RT+ΔrS∘R.\ln K^\circ(T) = -\frac{\Delta_r H^\circ}{RT} + \frac{\Delta_r S^\circ}{R}.

Propriété 3.5Forme intégrée de la relation de van't Hoff

Dans l'approximation d'Ellingham :

  • pour une réaction endothermique, ΔrH∘>0\Delta_r H^\circ > 0, K∘K^\circ augmente avec la température ;
  • pour une réaction exothermique, ΔrH∘<0\Delta_r H^\circ < 0, K∘K^\circ diminue quand la température augmente.

Tracer ln⁡K∘\ln K^\circ en fonction de 1/T1/T donne une droite de pente −ΔrH∘/R-\Delta_r H^\circ/R et d'ordonnée à l'origine ΔrS∘/R\Delta_r S^\circ/R. C'est la méthode expérimentale standard pour déterminer une grandeur standard de réaction, capacité explicitement au programme.

4Variance et facteurs d'équilibre

4.1Définition

Définition 4.1Variance

Le nombre de degrés de liberté, ou variance, d'un système physico-chimique à l'équilibre est le nombre de paramètres intensifs indépendants que l'expérimentateur peut fixer librement sans détruire l'état d'équilibre ni faire disparaître une phase.

MéthodeDénombrer la variance

À préférer à toute formule apprise par cœur.

  1. Lister tous les paramètres intensifs décrivant le système : la température, la pression, et les fractions molaires ou concentrations de chaque constituant dans chaque phase.
  2. Retrancher le nombre de relations qui les lient : une relation de normalisation par phase (la somme des fractions molaires vaut 1) et une relation d'équilibre chimique par réaction indépendante.
  3. Le résultat est la variance.

Propriété 4.2Formule de la variance

Hypothèses

  • système siège de rr réactions indépendantes ;
  • NN constituants répartis en φ\varphi phases ;
  • absence de condition initiale particulière.

Alors v=N−r+2−φ.v = N - r + 2 - \varphi.

Interprétation :

  • une variance de 2 signifie qu'on peut choisir librement TT et PP ;
  • une variance de 1 signifie qu'en fixant TT, la pression d'équilibre est imposée ;
  • une variance de 0 signifie que l'état d'équilibre est entièrement déterminé.

Exemple 4.3Décomposition du carbonate de calcium

L'équilibre CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)\mathrm{CaCO_3(s) = CaO(s) + CO_2(g)} comporte trois constituants dans trois phases, une réaction. On trouve v=3−1+2−3=1v = 3 - 1 + 2 - 3 = 1. À température fixée, la pression de dioxyde de carbone à l'équilibre est imposée, et elle ne dépend pas des quantités de solides présentes.

4.2Facteurs d'équilibre

Définition 4.4Facteur d'équilibre

Un paramètre intensif est un facteur d'équilibre si sa variation modifie l'état d'équilibre du système.

  • La température est toujours un facteur d'équilibre, puisque K∘K^\circ en dépend.
  • La pression totale est un facteur d'équilibre uniquement si des gaz interviennent et si la somme des nombres stœchiométriques des gaz n'est pas nulle.

Dans l'exemple précédent, la pression totale n'est pas un facteur d'équilibre indépendant, puisque la pression de CO2\mathrm{CO_2} est imposée.

5Perturbation d'un système à l'équilibre

Le principe de raisonnement est unique et ne demande aucun calcul différentiel : on part d'un état d'équilibre où Q=K∘Q = K^\circ, on applique la perturbation, on recalcule QQ et K∘K^\circ juste après, et on compare.

Propriété 5.1Élévation de température à pression constante

K∘K^\circ change selon la relation de van't Hoff, QQ est inchangé à l'instant initial. Pour une réaction endothermique, K∘K^\circ augmente donc Q<K∘Q < K^\circ et le système évolue dans le sens direct. Une élévation de température favorise le sens endothermique.

Propriété 5.2Augmentation de la pression totale à température constante

Hypothèse : système avec des gaz.

Alors les pressions partielles augmentent toutes dans le même rapport, K∘K^\circ est inchangée. Le quotient QQ varie comme P∑νgazP^{\sum \nu_{\text{gaz}}}. Si ∑νgaz>0\sum \nu_{\text{gaz}} > 0, QQ augmente donc Q>K∘Q > K^\circ et le système recule. Une augmentation de pression déplace l'équilibre vers le côté qui contient le moins de gaz.

Propriété 5.3Ajout d'un constituant actif à TT et PP constantes

On recalcule QQ avec les nouvelles activités. En général, ajouter un réactif déplace dans le sens direct, ajouter un produit dans le sens indirect.

AttentionFaire le calcul

Ajouter un constituant à PP et TT fixées modifie aussi la quantité totale de gaz, donc toutes les fractions molaires. Il faut faire le calcul.

Propriété 5.4Ajout d'un constituant inerte gazeux

  • À TT et PP constantes : la quantité totale de gaz augmente, donc chaque pression partielle diminue. L'effet est le même qu'une baisse de pression, le système se déplace vers le côté qui contient le plus de gaz.
  • À TT et VV constants : un inerte ne change rien.

Exemple 5.5Optimisation de la synthèse de l'ammoniac

La réaction est exothermique et avec diminution du nombre de moles de gaz : la thermodynamique recommande une température basse et une pression élevée. Mais une température basse rend la cinétique inacceptable. Le compromis industriel consiste à travailler vers 700 K700 \unite{K} et quelques centaines de bar, avec un catalyseur, et à retirer l'ammoniac formé par liquéfaction pour déplacer en continu l'équilibre.

Cet exemple illustre la distinction permanente entre ce que la thermodynamique autorise et ce que la cinétique permet.

6Capacités expérimentales et numériques

Détermination d'une grandeur standard de réaction :

  • par calorimétrie pour ΔrH∘\Delta_r H^\circ, en mesurant l'élévation de température d'un calorimètre de capacité thermique connue ;
  • par mesure de K∘K^\circ à plusieurs températures puis régression linéaire de ln⁡K∘\ln K^\circ en fonction de 1/T1/T, ce qui donne ΔrH∘\Delta_r H^\circ et ΔrS∘\Delta_r S^\circ simultanément.

Points de rigueur expérimentale :

  • étalonner le calorimètre avant la mesure ;
  • corriger des fuites thermiques par extrapolation de la courbe de température ;
  • vérifier que la réaction est totale et rapide, ce qui n'est pas garanti.

Méthodes

MéthodeÉcrire une grandeur de réaction

  1. Écrire l'équation de réaction avant toute grandeur de réaction.
  2. S'y tenir jusqu'au bout.

MéthodeCalculer ΔrH∘\Delta_r H^\circ

  1. Utiliser la loi de Hess avec les enthalpies standard de formation.
  2. Vérifier que celles des corps simples dans leur état de référence sont nulles.

MéthodeCalculer K∘K^\circ

  1. Passer par ΔrG∘=ΔrH∘−T ΔrS∘\Delta_r G^\circ = \Delta_r H^\circ - T\,\Delta_r S^\circ dans le cadre d'Ellingham.
  2. En déduire K∘=exp⁡(−ΔrG∘/(RT))K^\circ = \exp\left(-\Delta_r G^\circ/(RT)\right).
  3. Surveiller les unités : ΔrH∘\Delta_r H^\circ en  kJ.mol−1\unite{kJ.mol^{-1}} et ΔrS∘\Delta_r S^\circ en  J.K−1.mol−1\unite{J.K^{-1}.mol^{-1}}.

MéthodePrévoir un sens d'évolution

  1. Calculer QQ avec les activités instantanées.
  2. Le comparer à K∘K^\circ.
  3. Ne jamais conclure sur le seul signe de ΔrG∘\Delta_r G^\circ, qui ne renseigne que sur l'état standard.

MéthodeRéacteur adiabatique

  1. Construire un chemin fictif en deux étapes.
  2. Écrire ΔH=0\Delta H = 0.

MéthodePerturbation d'un équilibre

  1. Faire le tableau des activités avant et juste après la perturbation.
  2. Recalculer QQ.
  3. Le comparer à K∘K^\circ.

Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle

  1. Définir l'état standard d'un gaz, d'un solide et d'un soluté, et l'état standard de référence d'un élément.
  2. Calculer ΔrH∘\Delta_r H^\circ et ΔrS∘\Delta_r S^\circ d'une réaction à partir de tables, et prévoir le signe de ΔrS∘\Delta_r S^\circ sans table.
  3. Établir ΔrG=ΔrG∘+RTln⁡Q\Delta_r G = \Delta_r G^\circ + RT \ln Q et en déduire ΔrG∘=−RTln⁡K∘\Delta_r G^\circ = -RT \ln K^\circ.
  4. Calculer K∘K^\circ à une température donnée dans le cadre de l'approximation d'Ellingham, puis à une autre température.
  5. Déterminer la température atteinte dans un réacteur adiabatique monobare par un chemin fictif.
  6. Calculer la variance d'un système, par exemple l'équilibre de décomposition du carbonate de calcium, et l'interpréter.
  7. Discuter l'effet d'une élévation de température, d'une augmentation de pression et d'un ajout d'inerte sur un équilibre gazeux donné.
  8. Justifier les conditions industrielles de la synthèse de l'ammoniac en distinguant argument thermodynamique et argument cinétique.

Méthodes et exercices

Les résultats à connaître

  • Avancement ξ, ni(ξ) = ni(0) + ν_iξ : exigible.
  • Grandeur de réaction ΔrX = (∂X/∂ξ) à T et P constantes, intensive, dépendante de l'écriture de l'équation : exigible.
  • État standard, gaz parfait pur sous P° = 1 bar, solide ou liquide pur sous P°, soluté à c° = 1 mol/L en solution infiniment diluée : exigible.
  • Enthalpie standard de formation ΔfH°, état standard de référence d'un élément égal au corps simple le plus stable, ΔfH° nulle pour un corps simple dans son état de référence : exigible.
  • Loi de Hess, ΔrH° = Σ νi ΔfH°_i : exigible avec utilisation.
  • Entropies molaires standard absolues, positives et tabulées, ΔrS° = Σ νi S°_m,i : exigible.
  • ΔrH° < 0 signifie exothermique. Le signe de ΔrS° se prévoit en comparant la quantité de matière gazeuse des deux côtés : exigible, capacités explicites.
  • Réacteur monobare isotherme, QP = ΔH = ΔrH° × ξ : exigible.
  • Réacteur adiabatique monobare, ΔH = 0 pour la transformation réelle, chemin fictif en deux étapes pour déterminer la température finale, borne supérieure de la température réelle : exigible avec méthode.
  • ΔrG = Σ νi µi = ΔrG° + RT ln Q, Q construit avec les activités instantanées : exigible.
  • À l'équilibre, ΔrG = 0, donc ΔrG°(T) = −RT ln K°(T), K° sans dimension, fonction de T seule : exigible.
  • Critère d'évolution, Q < K° sens direct, Q > K° sens indirect, Q = K° équilibre : exigible.
  • Approximation d'Ellingham, ΔrH° et ΔrS° indépendantes de T, ΔrG°(T) = ΔrH° − TΔ_rS°, ln K°(T) = −ΔrH°/(RT) + ΔrS°/R : exigible.
  • Variance v = N − r + 2 − φ, ou méthode de dénombrement des paramètres intensifs moins les relations qui les lient : exigible.
  • Facteur d'équilibre, la température l'est toujours, la pression seulement si des gaz interviennent avec Σν_gaz ≠ 0 : exigible.
  • Perturbation d'un système à l'équilibre, principe unique, recalculer Q juste après la perturbation et comparer à K° : exigible avec méthode.

Clés de démonstration

Établissement de ΔrG = ΔrG° + RT ln Q. On part de ΔrG = Σ νi µi et on reporte µi = µi° + RT ln(ai) pour chaque constituant. Les termes en µi° se regroupent en ΔrG°, les termes en RT ln(ai) se regroupent en RT ln Q par les propriétés du logarithme d'un produit. L'astuce : traiter séparément la partie qui ne dépend que de l'état standard et la partie qui dépend de la composition réelle.

ΔrG° = −RT ln K°. À l'équilibre, l'enthalpie libre du système est minimale, donc ΔrG = 0. En reportant dans la relation précédente avec Q = K° à l'équilibre, on obtient directement ΔrG° = −RT ln K°. L'astuce : l'équilibre est le cas particulier ΔrG = 0, pas une nouvelle formule.

Critère d'évolution. Le second principe impose dG ≤ 0 à T et P constantes, et dG = ΔrG dξ. Si ΔrG < 0, dξ doit être positif pour que le produit reste négatif, la réaction avance donc dans le sens direct. Le raisonnement symétrique donne le sens indirect. L'astuce : le signe du produit ΔrG dξ est imposé, ce qui contraint le signe de dξ une fois connu celui de ΔrG.

Chemin fictif du réacteur adiabatique. H est une fonction d'état, donc ΔH ne dépend pas du chemin suivi entre l'état initial et l'état final. On invente un chemin en deux étapes, la réaction à température constante puis le réchauffement du système final, dont la somme des deux variations doit être nulle puisque le vrai chemin est adiabatique. L'astuce : remplacer un chemin réel inconnu par un chemin fictif dont chaque étape se calcule.

Relation de van't Hoff intégrée. Dans l'approximation d'Ellingham, on substitue directement ΔrG° = ΔrH° − TΔ_rS° dans ΔrG° = −RT ln K°, ce qui donne ln K°(T) = −ΔrH°/(RT) + ΔrS°/R après division par −RT. L'astuce : c'est une simple substitution algébrique, aucune intégration n'est requise puisque ΔrH° et ΔrS° sont supposées constantes.

Exemples et contre-exemples à connaître

  1. Synthèse de l'ammoniac, N₂(g) + 3H₂(g) = 2NH₃(g), on passe de 4 à 2 moles de gaz, ΔrS° ≈ −200 J/K/mol, ΔrH° ≈ −92 kJ/mol : exemple canonique du chapitre.
  2. Neutralisation d'un acide fort par une base forte, ΔrH° ≈ −57 kJ/mol : ordre de grandeur de référence pour une réaction en solution.
  3. Pour CaCO₃(s) = CaO(s) + CO₂(g), la variance vaut 1 : la pression de CO₂ à l'équilibre est imposée dès que T est fixée, indépendamment des quantités de solides présents.
  4. À 298 K, RT ln 10 ≈ 5,7 kJ/mol, donc ΔrG° = −57 kJ/mol correspond à K° = 10¹⁰ : repère numérique à retenir par cœur.
  5. Si une phase solide pure disparaît totalement avant que Q n'atteigne K°, l'égalité Q = K° n'est jamais réalisée : contre-exemple à l'idée qu'un système atteint toujours son équilibre thermodynamique.
  6. Un inerte gazeux ajouté à T et P constants déplace l'équilibre comme une baisse de pression, car les pressions partielles des autres gaz diminuent, alors qu'ajouté à T et V constants il ne change rien : deux comportements opposés selon les conditions imposées.
  7. Conclure sur le sens d'évolution à partir du seul signe de ΔrG° est une erreur : ΔrG° ne renseigne que sur l'état standard, où Q vaut 1, il faut comparer Q réel à K°.
  8. La température de flamme calculée par le chemin fictif adiabatique est une borne supérieure de la température réelle, jamais atteinte en pratique, le réacteur n'étant jamais parfaitement adiabatique.
  9. Pour H₂(g) + I₂(g) = 2HI(g), Σν_gaz = 0, la pression totale n'est pas un facteur d'équilibre : contre-exemple à l'intuition que toute réaction gazeuse est sensible à la pression.
  10. Un procédé thermodynamiquement favorisé à basse température, comme la synthèse de l'ammoniac, peut y être cinétiquement inacceptable, d'où le compromis industriel à 700 K avec un catalyseur.

Techniques du chapitre

Technique 1, toujours écrire l'équation de réaction et s'y tenir avant tout calcul de grandeur de réaction. Mini-exercice : si l'on double tous les coefficients stœchiométriques d'une équation, ΔrH° double aussi. Il faut donc toujours préciser l'équation utilisée.

Technique 2, prévoir le signe de ΔrS° sans table, en comptant les moles de gaz. Mini-exercice : pour CaCO₃(s) = CaO(s) + CO₂(g), on crée une mole de gaz à partir de rien, donc ΔrS° > 0.

Technique 3, calculer K° à partir de ΔrG° via le repère RT ln 10 ≈ 5,7 kJ/mol à 298 K. Mini-exercice : ΔrG° = −34 kJ/mol à 298 K correspond à K° = 1034/5,7 ≈ 10⁶.

Technique 4, construire un chemin fictif en deux étapes pour un réacteur adiabatique. Mini-exercice : pour une réaction exothermique menée à Ti puis un réchauffement du système final, on écrit ΔrH°(Ti)ξf + CP,final(Tf − Ti) = 0 et on isole Tf.

Technique 5, pour prévoir un sens d'évolution après une perturbation, recalculer Q juste après et comparer à K° inchangée. Mini-exercice : on augmente la pression totale pour une réaction avec Σν_gaz = +2. Q est multiplié par un facteur supérieur à 1, donc Q > K°, le système recule vers le côté qui a le moins de gaz.

Technique 6, pour la variance, dénombrer plutôt qu'appliquer la formule sans réfléchir. Mini-exercice : pour un système siège d'une seule dissociation gazeuse A(g) = 2B(g), N = 2, r = 1, φ = 1, v = 2 − 1 + 2 − 1 = 2, on peut fixer librement T et P.

Exercices classiques corrigés

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

Exercice 1

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Calculer ΔrH° et ΔrS° de la combustion CH₄(g) + 2O₂(g) = CO₂(g) + 2H₂O(g), avec ΔfH°(CH₄,g) = −75 kJ/mol, ΔfH°(CO₂,g) = −394 kJ/mol, ΔfH°(H₂O,g) = −242 kJ/mol, et S°_m en J/K/mol, CH₄(g) 186, O₂(g) 205, CO₂(g) 214, H₂O(g) 189.

Technique loi de Hess avec coefficients stœchiométriques.

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  1. ΔrH° = [ΔfH°(CO₂) + 2Δ_fH°(H₂O,g)] − [ΔfH°(CH₄) + 2Δ_fH°(O₂)] = (−394 − 484) − (−75) = −803 kJ/mol.
  2. ΔrS° = [S°(CO₂) + 2S°(H₂O,g)] − [S°(CH₄) + 2S°(O₂)] = (214 + 378) − (186 + 410) = −4 J/K/mol.
  3. On passe de 3 moles de gaz à 3 moles de gaz, Σν_gaz = 0, cohérent avec un ΔrS° presque nul.
  4. La réaction est fortement exothermique et quasi athermique du point de vue entropique.

piège : Oublier les coefficients stœchiométriques, en particulier le facteur 2 devant O₂ et H₂O, dans la combinaison linéaire.

Exercice 2

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Neutralisation d'un acide fort par une base forte, ΔrH° = −57 kJ/mol. On mélange 100 mL d'acide chlorhydrique à 1,0 mol/L et 100 mL de soude à 1,0 mol/L, à Ti = 20,0 °C, dans un calorimètre de capacité thermique CP = 850 J/K. Calculer la température finale.

Technique chemin fictif adiabatique, avancement de la réaction totale.

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  1. n = 0,100 × 1,0 = 0,100 mol de chaque réactif, en proportions stœchiométriques.
  2. ΔrH° × ξf = −57×10³ × 0,100 = −5,70×10³ J.
  3. Chemin fictif : ΔrH° × ξf + CP(Tf − Ti) = 0, donc Tf − Ti = 5,70×10³/850 ≈ 6,7 K.
  4. Tf ≈ 20,0 + 6,7 = 26,7 °C.

piège : Utiliser directement QP = ΔH pour un système isotherme alors qu'ici on cherche la variation de température, ce qui impose le chemin fictif en deux étapes.

Exercice 3. Calculer K°(298 K) pour 2NO₂(g) = N₂O₄(g), sachant ΔrG°(298 K) = −4,8 kJ/mol

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Technique relation K° = exp(−ΔrG°/RT), vérification par le repère numérique.

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  1. K° = exp(4800/(8,314 × 298)) = exp(4800/2478) = exp(1,94).
  2. K° ≈ 6,9.
  3. Vérification avec RT ln 10 ≈ 5,7 kJ/mol : −4,8/5,7 ≈ −0,84, donc K° ≈ 100,84 ≈ 6,9, cohérent.

piège : Oublier de convertir ΔrG° en joules avant de diviser par RT exprimé en J/mol/K, ce qui fausse l'exposant d'un facteur 1000.

Exercice 4

Classiques de khôlle et concours · Khôlle vers écrit

Pour N₂(g) + 3H₂(g) = 2NH₃(g), ΔrH° = −92 kJ/mol et ΔrS° = −200 J/K/mol, supposées indépendantes de T. Calculer K° à 298 K puis à 700 K et commenter.

Technique Ellingham, ΔrG°(T) = ΔrH° − TΔ_rS°.

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  1. À 298 K, ΔrG° = −92 000 − 298×(−200) = −32 400 J/mol, donc K°(298 K) = exp(32400/(8,314×298)) ≈ 4,9×10⁵.
  2. À 700 K, ΔrG° = −92 000 − 700×(−200) = +48 000 J/mol, donc K°(700 K) = exp(−48000/(8,314×700)) ≈ 2,6×10⁻⁴.
  3. K° chute de plusieurs ordres de grandeur entre 298 K et 700 K.
  4. C'est cohérent avec une réaction exothermique, dont la constante d'équilibre diminue quand la température augmente, conformément à la relation de van't Hoff.

piège : Garder les grandeurs en degrés Celsius au lieu de travailler systématiquement en kelvins dans la formule.

Exercice 5. Calculer la variance du système CaCO₃(s) = CaO(s) + CO₂(g) et interpréter le résultat

Classiques de khôlle et concours · Khôlle

Technique dénombrement des constituants, phases et réactions.

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  1. N = 3 constituants, r = 1 réaction, φ = 3 phases, deux solides distincts plus une phase gazeuse.
  2. v = N − r + 2 − φ = 3 − 1 + 2 − 3 = 1.
  3. Une variance de 1 signifie qu'en fixant la température, la pression d'équilibre de CO₂ est entièrement déterminée, indépendamment des quantités de solides présents.
  4. Si l'on impose en outre P = 1 bar, cela n'est possible qu'à une seule température particulière, celle où la pression d'équilibre vaut justement 1 bar.

piège : Compter CaCO₃ et CaO comme une seule phase solide parce que ce sont tous deux des solides, alors que ce sont deux phases distinctes.

Exercice 6

Classiques de khôlle et concours · Type écrit CCINP

Pour H₂(g) + I₂(g) = 2HI(g), montrer sans calculer K° qu'une augmentation de la pression totale à température constante ne déplace pas cet équilibre.

Technique lien entre Q et la pression totale via Σν_gaz.

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  1. En écrivant chaque pression partielle Pi = xi P, le quotient de réaction fait apparaître un facteur global en PΣν_gaz.
  2. Ici Σν_gaz = 2 − 1 − 1 = 0, donc ce facteur vaut P⁰ = 1.
  3. Q ne dépend alors que des fractions molaires, pas de la pression totale.
  4. Une augmentation de P à composition constante ne modifie donc pas Q, qui reste égal à K° : la pression n'est pas un facteur d'équilibre pour cette réaction.

piège : Croire que toute réaction impliquant des gaz est sensible à la pression, alors que seul le signe et la valeur de Σν_gaz comptent.

Exercice 7

Classiques de khôlle et concours · Type écrit CCINP ou e3a

On mesure K°(300 K) = 2,1×10², K°(350 K) = 1,8×10¹, K°(400 K) = 2,9 pour une réaction gazeuse. Dans le cadre d'Ellingham, déterminer ΔrH° et ΔrS° par exploitation graphique.

Technique tracer ln K° en fonction de 1/T, lecture de la pente et de l'ordonnée à l'origine.

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  1. ln K°(300 K) ≈ 5,35 pour 1/T ≈ 3,33×10⁻³ K⁻¹. ln K°(400 K) ≈ 1,06 pour 1/T ≈ 2,50×10⁻³ K⁻¹.
  2. Pente entre ces deux points : (5,35 − 1,06)/(3,33×10⁻³ − 2,50×10⁻³) ≈ 5170 K.
  3. Comme la pente vaut −ΔrH°/R, ΔrH° ≈ −8,314 × 5170 ≈ −43 kJ/mol.
  4. L'ordonnée à l'origine, obtenue en revenant à un point de mesure, donne ΔrS°/R ≈ −11,9, soit ΔrS° ≈ −99 J/K/mol.

piège : Tracer ln K° en fonction de T au lieu de 1/T, ce qui ne donne pas une droite dans le cadre de l'approximation d'Ellingham.

Exercice 8

Approfondissement · Type écrit Centrale ou Mines, plus délicat

Justifier, en combinant arguments thermodynamiques et cinétiques, les conditions industrielles de la synthèse de l'ammoniac, température de l'ordre de 700 K, pression de plusieurs centaines de bar, extraction continue du produit.

Technique croisement du critère de van't Hoff, du critère de pression, et de la cinétique.

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  1. La réaction est exothermique et s'accompagne d'une diminution du nombre de moles de gaz, Σν_gaz = 2 − 4 = −2.
  2. D'après van't Hoff, une réaction exothermique voit K° diminuer quand T augmente, la thermodynamique recommande donc une température basse pour maximiser le rendement à l'équilibre.
  3. D'après le critère de perturbation par la pression, une pression élevée favorise le côté avec le moins de moles de gaz, ici le sens direct : la thermodynamique recommande aussi une pression élevée.
  4. À basse température, la vitesse de réaction devient trop faible pour un procédé rentable, un compromis est donc nécessaire, aidé par un catalyseur qui accélère la réaction sans déplacer l'équilibre.
  5. En retirant l'ammoniac formé en continu, on maintient Q inférieur à K°, ce qui empêche le système d'atteindre l'équilibre et fait avancer la réaction en continu, contournant ainsi la limitation du rendement à l'équilibre thermodynamique.

piège : Présenter la température de 700 K comme un choix purement cinétique sans lien avec la thermodynamique, alors que c'est un compromis explicite entre les deux exigences.

Erreurs fréquentes

  1. Conclure sur le sens d'évolution à partir du seul signe de ΔrG°, qui ne renseigne que sur l'état standard, au lieu de comparer Q à K°.
  2. Oublier les coefficients stœchiométriques dans la loi de Hess ou dans le calcul de ΔrS°.
  3. Utiliser la capacité thermique du système initial plutôt que celle du système final dans le chemin fictif du réacteur adiabatique.
  4. Croire que toute augmentation de pression déplace un équilibre gazeux, sans avoir vérifié que Σν_gaz est non nul.
  5. Confondre argument thermodynamique et argument cinétique pour justifier les conditions industrielles d'un procédé.

Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de BCPST deuxième année (2021), thème E « énergie », paragraphe E.7. Elle couvre les grandeurs standard de réaction, la loi de Hess, les effets thermiques en réacteur monobare, l'enthalpie libre de réaction, la constante thermodynamique d'équilibre dans le cadre de l'approximation d'Ellingham, la variance et l'effet d'une perturbation. Seules des transformations monobares sont envisagées et aucun calcul différentiel n'est exigible.