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Chimie
Cours
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Un système est une portion de l'Univers séparée de l'extérieur par des frontières réelles ou fictives bien définies.
L'extérieur du système est appelé milieu extérieur ou environnement.
Les constituants d'un système chimique sont les entités chimiques citées pour décrire le contenu du système.
I. La transformation chimique
1) Définition
Une transformation chimique est tout processus au cours duquel sont modifiées les quantités de matière de certains ou de tous les constituants du système où elle se déroule, donnant lieu ainsi à l'apparition de nouveaux constituants.
Les espèces chimiques qui constituent un système peuvent réagir entre elles. Le système peut donc évoluer au cours du temps. Cette évolution peut s’observer ou être invisible.
Lorsqu’un système évolue au cours du temps, il passe d’un état initial noté E.I. à un état final noté E.F. On parle d’état final lorsque le système n’évolue plus.
Si la composition chimique de l’état final est différente de celle de l’état initial, on dit qu’il y a eu une transformation chimique.
Une transformation chimique peut être modélisée (ou représentée) par une réaction chimique (réaction d'oxydoréduction, réaction acido-basique, réaction de précipitation, réaction de complexation, etc.) qu'on symbolise par une équation chimique.
Réactifs : Ce sont les espèces présentes dans l’état initial et qui sont consommées pendant la transformation chimique.
Produits : Ce sont les espèces formées pendant la transformation chimique.
NB : Il peut éventuellement rester des réactifs en fin de transformation s’ils n’ont pas tous été consommés.
Spectateurs : Ce sont les espèces présentes dans l’état initial et qui ne participent pas la transformation chimique. On les retrouve donc intégralement à l’état final.
On décrit l’état d’un système chimique en précisant :
• Pression du système
• Température du système
• Espèce chimique, on utilise les indices : solide (s), liquide (l), gazeux (g). si une espèce est présente dans l’eau, on le signalera par l’indice (aq).
• ….
2) Equation de la transformation
C’est l’écriture symbolique de la transformation chimique.
• On utilise une flèche orientée de la gauche vers la droite.
• A gauche, on écrit les réactifs (symboles chimiques).
• A droite, on écrit les produits.
On ne fait pas intervenir les espèces spectatrices qui ne participent pas à la transformation chimique.
Exemple \(Cu(s) + \) \(2A{g^ + }(aq) \to \) \(C{u^{2 + }}(aq) + \) \(2Ag(s)\)
Les ions \(NO_3^ - (aq)\) restent spectateurs. Ils n’apparaissent pas dans la réaction chimique.
3) Les coefficients stœchiométriques
Au cours d’une transformation chimique, il y a :
• Conservation des éléments chimiques (et donc de la masse).
• Conservation de la charge électrique.reaction chimiqueDans l’équation chimique, on ajuste les coefficients devant chaque espèce afin de suivre ces deux lois de conservation. Quand le coefficient vaut 1 on ne le fait pas apparaître.

II Avancement d'une réaction chimique
1) Définition de l’avancement
Soit la réaction suivante
\(Cu(s) + \) \(2A{g^ + }(aq) \to \) \(C{u^{2 + }}(aq) + \) \(2Ag(s)\)
Dans cette réaction, les réactifs sont : \(\left\{ \begin{array}{l}Cu(s) + \\A{g^ + }(aq)\end{array} \right.{\rm{ }}\) et les produits sont : \(\left\{ \begin{array}{l}C{u^{2 + }}(aq)\\2Ag(s)\end{array} \right.\)
Au cours de cette réaction, les réactifs disparaissent et les produits apparaissent.
Chaque fois qu’un atome de \(Cu(s)\) disparaît, deux ions de \(A{g^ + }(aq)\) disparaissent, un ion \(C{u^{2 + }}(aq)\) apparaît et deux atomes de \(Ag(s)\) apparaissent.
Chaque fois qu’une mole d’atomes de \(Cu(s)\) disparaît, deux moles d’ions \(A{g^ + }(aq)\) disparaissent, une mole ion \(C{u^{2 + }}(aq)\) apparaît et deux moles d’atomes de \(Ag(s)\) apparaissent.
Chaque fois qu’x moles d’atomes de \(Cu(s)\) disparaissent, 2x moles d’ions \(A{g^ + }(aq)\) disparaissent, x moles ion \(C{u^{2 + }}(aq)\) apparaissent et 2x moles d’atomes de \(Ag(s)\) apparaissent.
Plus généralement la réaction chimique symbolisée par l'équation chimique :
\(aA + bB\) \( \to cC + dD\)
Si a moles de A et b moles de B ont disparu et c moles de C et d moles de D sont apparues. On dit que les réactifs ont disparu et les produits sont apparus en proportions stœchiométriques.
Chaque fois que « ax » moles d’atomes de A disparaissent, « bx » moles de B disparaissent, « cx » moles ion C apparaissent et « dx » moles d’atomes de \(Ag(s)\) apparaissent.
L’avancement noté x est une grandeur qui permet de suivre l’évolution des quantités de matière des réactifs et des produits d’une réaction chimique. Il s’exprime en mol.

- Le tableau d’avancement d’une réaction
C’est le tableau descriptif de l'évolution du système chimique permet de décrire sa composition à l'état initial et à chaque instant. On le présente sous la forme suivante :
tableau avancementCe tableau est rempli de la manière suivante :
Iavancement reactionLe tableau descriptif global de l'évolution du système chimique permet de décrire la composition du système à l'état initial et à chaque instant se présente sous la forme suivante:

   Équation de la réaction
 \(aA + \) \(bB \to \) \(cC + \) \(d.D\)
 État système  Avancement (mol)  Quantités de matière (mol)
 État initial  0  \({n_i}(A)\)  \({n_i}(B)\)  0  0
 En cours
 \({{x}}\)   \({n_i}(A) - \) \(ax\)   \({n_i}(B) - \) \(bx\)  \(cx\)  \(dx\)
 État final  \({{x_f}}\)  \({n_i}(A) - \) \(a{x_f}\)   \({n_i}(B) - \) \(b{x_f}\)  \(c{x_f}\)  \(d{x_f}\)

Si on désigne par n(A), n(B), n(C) et n(D) respectivement les quantités de matière de A, B, C et D à un instant t, l'avancement x est alors :
\(x = \) \(\frac{{{n_i}(A) - n(A)}}{a}\) \( = \) \(\frac{{{n_i}(B) - n(B)}}{b}\) \( = \) \(\frac{{{n_i}(C) - n(C)}}{c}\) \( = \) \(\frac{{{n_i}(D) - n(D)}}{d}\)
L'avancement x d'une réaction chimique à l'instant de date t est la quantité de matière disparue (pour un réactif) ou apparue (pour un produit) divisée par le coefficient stœchiométrique correspondant.
Ainsi l'avancement x est une grandeur qui permet de suivre l'évolution des quantités de matière des entités chimiques présentes à chaque instant dans un système. Il n'est pas lié spécifiquement à l'une des entités chimiques du système en évolution, mais il caractérise globalement une réaction chimique.
Remarque : Si les constituants du système chimique constituent une seule phase et si la transformation se produit à volume V constant, il est commode de définir l'avancement volumique y qui est égal au quotient de l'avancement x exprimé en mole par le volume de la solution :
\(y = \frac{x}{V}\)
L'avancement volumique s'exprime en mol/L
- Avancement final et avancement maximal
a) L'avancement final \({{x_f}}\) est la valeur de l'avancement en fin de réaction. Sa valeur peut être déduite expérimentalement à partir de la détermination de la composition du système et dépend du caractère total ou limité de la réaction.
b ) L'avancement maximal \({{x_{\max }}}\) est la valeur calculée de l'avancement en supposant la réaction pratiquement totale.
Le(s) réactif(s) limitant(s) corresponde(nt) au(x) réactif(s) qui vien(nen)t à manquer et qui empêche(nt) la réaction de se poursuivre.
Les autres réactifs seront en excès.
- Temps de demi-réaction
La durée au bout de laquelle l'avancement de la réaction atteint la moitié de sa valeur finale \({{x_f}}\) est appelée temps de demi-réaction.

III Vitesse de réaction d’une transformation chimique
Pour suivre l'évolution d'un système chimique au cours du temps, on peut recourir :
- à l'observation à l'œil nu, si un des constituants en disparition ou en apparition est coloré ou a un aspect repérable (gaz, précipité, etc.) ;
- à une technique appropriée de mesure d'une grandeur reliée à la quantité de matière d'une entité chimique prenant part à la transformation, si aucun changement visible ne se manifeste.
Ce suivi permet de caractériser une transformation chimique par la durée mise par le système chimique pour évoluer entre l'état initial (état à partir duquel la transformation débute) et l'état final (état à partir duquel la transformation cesse).
Une transformation chimique est dite :
- rapide si la durée d'évolution du système entre l'état initial et l'état final est inférieure à la persistance rétinienne ou au temps de réponse des appareils usuels utilisés pour la suivre ;
- lente si elle se déroule sur des durées permettant un suivi aisé avec nos sens ou avec les techniques de mesure habituelles.
L'étude de l'évolution temporelle des systèmes chimiques constitue la cinétique chimique.

IV Quelques techniques de détermination de l'avancement d'une réaction
1. Méthodes chimiques
L'avancement x d'une réaction, modélisant la transformation d'un système chimique, peut être déterminé par recours à une réaction chimique qui transforme l'un des constituants prenant part à la transformation du système.
On cite à titre d'exemples les réactions acide-base, d'oxydoréduction, de précipitation, etc.
2. Méthodes physiques
Certaines grandeurs physiques (volume, masse, pression, conductance, absorbance…) sont reliées souvent, par une loi simple, à la concentration d'une ou plusieurs des entités chimiques prenant part à la transformation (réactif ou produit). Leur mesure permet de déterminer les concentrations et d'en déduire l'avancement x de la réaction au cours du temps.
Parmi les techniques de détermination d'une concentration, on cite :
• La conductimétrie
Dans le cas ou la transformation chimique met en jeu des ions, la mesure de la conductance G de la solution électrolytique permet de déterminer l'avancement de la réaction. En effet, lorsque la concentration des ions en solution ou leur nature change, la conductance électrique de la solution change.
• La pH-mètrie : Dans le cas où l'une des entités chimiques prenant part à la transformation (réactif ou produit) est l'ion hydronium \({H_3}{O^ + }\), on peut déterminer sa concentration en mesurant
le pH à l'aide d'un pH.
• La spectrophotométrie :