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3 – ETAT D`EQUILIBRE D`UN SYSTEME CHIMIQUE

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Thème 2 : Les systèmes vivants échangent de la matière et de l’énergie
Activité Élève
Chapitre 1 : Les systèmes vivant assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées
3 – ETAT D’EQUILIBRE D’UN SYSTEME CHIMIQUE
Prévision du sens d’évolution d’un système et déplacement de l’équilibre
Connaissances
Capacités
Lors d’une transformation chimique en solution, un système
fermé évolue vers un état d’équilibre chimique.
Cet état d’équilibre dépend de l’état initial et de la constante
d’équilibre K(T) caractéristique de la réaction.
Une réaction est favorisée quand la valeur de la constante
d’équilibre K(T) est élevée.
Le déplacement de l’état d’équilibre d’un système peut être
provoqué en faisant varier les conditions opératoires : température,
excès d’un réactif ou élimination d’un produit.
Mettre en œuvre des activités expérimentales et exploiter
des ressources documentaires pour :
- Exprimer le quotient réactionnel Qr et le comparer à la
constante d’équilibre K(T), par exemple Ka pour la réaction
de dissociation d’un acide dans l’eau.
- Identifier les facteurs d’influence d’un état d’équilibre.
- Proposer un protocole pour déplacer un état d’équilibre.
Soit le système chimique simple, fermé, constitué des espèces chimiques A, B, C et D susceptibles de réagir
entre elles selon la transformation chimique modélisée par l’équation suivante :
1. Le quotient de réaction
On peut écrire pour tout état du système (initial, intermédiaire, final), le quotient de réaction Qr.
Qr = _______________
[X] :
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
Qr : …………………………………………………………………………………………………………………
Si une des espèces est un solide, un solvant ou un précipité, le terme relatif à l’espèce est égal à 1.
2. La constante d’équilibre
Lorsqu’un système chimique est dans son état final d’équilibre, le quotient de réaction à l’état final a une
valeur appelée constante d’équilibre, notée K ou Keq.
Keq = Qr,f = _______________________
S’il s’agit de la réaction d’un acide sur l’eau, cette constante est appelée Ka : constante d’acidité.
Ex : pour le couple HA/A- :
HA(aq) + H2O
A-(aq) + H3O+(aq)
Ka = ________________________
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Activité Élève
Chapitre 1 : Les systèmes vivant assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées
3. Prévision du sens d’évolution d’une transformation chimique à partir de son état initial
L’état initial du système peut être caractérisée par le quotient de réaction initial noté Qr,i :
Qr,i = ___________________________
Selon les concentrations initiales des espèces chimiques qui constituent le système, 3 cas peuvent se
présenter :
Si Qr,i = K :
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
Si Qr,i < K : Le système va évoluer de façon à ce que Qr augmente pour devenir égal à Keq.
Si Qr,i est trop petit, cela signifie qu’il n’y a pas assez de C et D, et trop de A et B par rapport à l’état
d’équilibre : il faudra donc créer des espèces C et D, et consommer les espèces A et B
……………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
Si Qr,i > K : Le système va évoluer de façon à ce que Qr diminue pour devenir égal à Keq.
Si Qr,i est trop grand, cela signifie qu’il y a trop de C et D, et pas assez de A et B par rapport à l’état
d’équilibre : il faudra donc créer des espèces A et B, et consommer les espèces C et D
……………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………
Conclusion : Le sens spontané d'évolution d'un système chimique sera toujours celui qui permet de ramener
la valeur du quotient de réaction Qr à la valeur de la constante d'équilibre K.
Qr initial
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Thème 2 : Les systèmes vivants échangent de la matière et de l’énergie
Activité Élève
Chapitre 1 : Les systèmes vivant assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées
Activité 1 : Prévoir le sens d’évolution d’une réaction acide-base
Dans une fiole de 200 mL, on réalise le mélange suivant dans de l’eau distillée :
 n1 = 2,0 mmol d'acide éthanoïque
 n2 = 2,0 mmol d’ammoniac
 n3 = 1,0 mmol d’éthanoate de sodium
 n4 = 2,0 mmol de chlorure d’ammonium
1. Ecrire l’équation de la réaction en considérant l’acide éthanoïque comme réactif.
Donnée :
- acide éthanoïque / ion éthanoate (CH3COOH / CH3COO-)
- ammonium / ammoniac (NH4+ / NH3)
2. Déterminer le quotient de réaction pour l’état initial du système.
3. Déterminer le sens d'évolution spontané de ce système chimique sachant que la constante d’équilibre de
la réaction est 1,4.
4. Indiquer ce que devient le système si :
n1 = 1,5 mmol d'acide éthanoïque
n2 = 2,0 mmol d’ammoniac
n3 = 4,0 mmol d'éthanoate de sodium
n4 = 1,0 mmol de chlorure d’ammonium
5. Indiquer ce que devient le système si :
n1 = 2,0 mmol d'acide éthanoïque
n2 = 2,8 mmol d’ammoniac
n3 = 4,0 mmol d’éthanoate de sodium
n4 = 4,0 mmol de chlorure d’ammonium
Activité 2 : Etude d’une réaction d’estérification - hydrolyse
Ce sont souvent des composés odorants retrouvés dans les huiles essentielles et les fruits, et qui sont
utilisés pour ces propriétés en parfumerie.
1. Estérification : Equation de réaction de formation d’un ester
Les esters sont des composés issus de la condensation entre un acide carboxylique et un alcool.
1.1. Ecrire l’équation générale d’une réaction de formation d’un ester.
1.2. Ecrire l’équation de la réaction d’hydrolyse de l’ester « éthanoate d’éthyle » et nommer l’acide
carboxylique et l’alcool constitutif.
Donnée :
Éthanoate d’éthyle = CH3COOCH2CH3
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Activité Élève
Chapitre 1 : Les systèmes vivant assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées
2. Caractéristiques des réactions d’estérification et d’hydrolyse
- Expérience n° 1 (estérification) : on mélange 1,0 mol d’un acide carboxylique et 1,0 mol d’un alcool à 20 °C.
- Expérience n°2 (hydrolyse) : on mélange 1,0 mol d’ester et 1,0 mol d’eau à 20 °C
Les résultats expérimentaux sont présentés dans le document 1.
Document 1 : Evolution du nombre de moles d’ester en fonction du temps
2.1 Préciser si les réactions d’estérification et d’hydrolyse sont lentes ou rapides.
2.2 Compléter le tableau d’avancement ci-dessous pour la réaction d’estérification.
2.3 Donner la valeur de l’avancement maximal xmax. (quantité maximale qui pourrait être produite si la
réaction est totale).
2.4 Comparer à la valeur de l’avancement final, xfinal, obtenu dans le cas des expériences et en déduire si la
réaction d’estérification est limitée ou totale.
2.5 Les réactions d’estérification et d’hydrolyse conduisent à un état d’équilibre. Préciser le symbole
d’écriture utilisé pour le montrer.
2.6 Calculer la constante d’équilibre K de la réaction d’estérification.
Equation
Ac. carboxylique +
alcool

ester
+
eau
Etat initial
Etat final
3. Influence de certains facteurs sur la vitesse de réaction et sur l’état d’équilibre
Différentes expériences ont été mises en œuvre pour afin d’observer l’incidence de la température, de la
présence d’un catalyseur ou d’un excès de l’un des réactifs au cours de cette réaction d’estérification. Les
résultats expérimentaux sont présentés dans le document 2.
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Thème 2 : Les systèmes vivants échangent de la matière et de l’énergie
Activité Élève
Chapitre 1 : Les systèmes vivant assurent leur activité et maintiennent leur intégrité en utilisant des voies métaboliques variées
Document 2
3.1 En analysant le document 2, indiquer :
- Ce qui accélère la vitesse de la réaction
- Ce qui modifie l’état final de la réaction par déplacement de l’équilibre.
3.2 En déduire le rôle d’un catalyseur.
BILAN
On peut modifier la vitesse d'une réaction chimique en :
On peut modifier l'état final du système chimique en :
-
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