Le cours
Résumé en cinq points
- Le potentiel chimique est l'enthalpie libre molaire partielle. Il s'écrit toujours , seul l'état de référence change selon le type de constituant.
- La matière migre spontanément vers le potentiel chimique le plus bas. À l'équilibre entre phases, les potentiels chimiques sont égaux.
- L'osmose s'explique par l'abaissement du potentiel chimique du solvant dans la solution, compensé à l'équilibre par une surpression proche de .
- et . Le signe de donne le sens d'évolution, son annulation l'équilibre.
- La température est toujours facteur d'équilibre, la pression seulement si est non nul. Les degrés de liberté se comptent en soustrayant les relations des paramètres intensifs.
Pourquoi ce chapitre
En première année, on a admis que le quotient de réaction évolue vers la constante d'équilibre. Ce chapitre le démontre à partir du second principe. L'outil central est le potentiel chimique, qui mesure la tendance d'une espèce à quitter la phase ou la forme où elle se trouve.
Le potentiel chimique sert au-delà de la réaction. Il gouverne aussi les transferts de matière sans réaction :
- le changement de phase ;
- la dissolution ;
- l'osmose.
C'est le même critère à chaque fois.
Tout ce qui suit en dépend : équilibres en réacteur, diagrammes binaires, thermodynamique de l'oxydo-réduction. Aux concours, il donne lieu à des questions de cours classiques et à des calculs de composition à l'équilibre.
1Second principe, enthalpie libre et identités thermodynamiques
1.1Rappel du second principe
Loi 1.1Second principe
Hypothèses
- le système est fermé.
Alors , avec , nulle si et seulement si la transformation est réversible. Pour une transformation monotherme au contact d'un thermostat à , .
1.2Entropie molaire standard absolue
Le troisième principe fixe l'origine des entropies : l'entropie d'un cristal parfait est nulle à . Une entropie molaire standard est donc une grandeur absolue, et elle est positive, ce qui la distingue des enthalpies de formation qui sont relatives.
Exemple 1.2Ordres de grandeur à 298 K
En :
- quelques dizaines pour un solide ;
- autour de 70 pour l'eau liquide ;
- entre 130 et 250 pour un gaz : 131 pour le dihydrogène, 205 pour le dioxygène, 189 pour l'eau gazeuse.
Retenir la hiérarchie solide, liquide, gaz.
Lecture microscopique, au niveau qualitatif demandé par le programme : l'entropie croît avec le nombre de micro-états accessibles, c'est-à-dire avec le désordre statistique. Un gaz a bien plus de positions et de vitesses accessibles qu'un solide. Augmenter , le volume ou le nombre d'espèces distinctes augmente l'entropie.
1.3Enthalpie libre
Définition 1.3Enthalpie libre
L'enthalpie libre est . C'est une fonction d'état extensive, en joules.
Propriété 1.4Évolution de G
Hypothèses
- la transformation est monotherme et monobare ;
- il n'y a pas de travail autre que celui des forces de pression ;
- et .
Alors
L'enthalpie libre ne peut donc que décroître, et elle est minimale à l'équilibre. C'est le critère d'évolution qui structure tout le chapitre. Il ne vaut que sous ces hypothèses, qui doivent être citées.
1.4Identités thermodynamiques
Propriété 1.5Identités thermodynamiques
Pour un système fermé de composition variable, contenant les constituants :
Elles se déduisent l'une de l'autre par et . Chacune identifie des variables naturelles :
- pour ;
- pour ;
- pour .
Les variables étant celles du laboratoire, joue le rôle central.
2Le potentiel chimique
2.1Définition
Définition 2.1Potentiel chimique
Le potentiel chimique du constituant est C'est une grandeur intensive, en , autrement dit l'enthalpie libre molaire partielle de .
Distinguer les grandeurs extensives (, , , , ) des grandeurs intensives (, , , concentration, fraction molaire) est explicitement exigible.
Propriété 2.2Enthalpie libre et potentiels chimiques
Conséquence du caractère extensif de (résultat admis) : L'enthalpie libre d'un système chimique est la somme des potentiels chimiques pondérés par les quantités de matière.
2.2Expression générale
Propriété 2.3Expression générale
Le programme adopte l'écriture unique où est l'activité de , sans dimension, définie en première année, et le potentiel chimique de l'état de référence choisi, celui pour lequel .
2.3Gaz parfait
Pour un gaz parfait pur, à température fixée, la troisième identité donne En intégrant entre et :
Propriété 2.4Gaz parfait pur
L'état de référence est le gaz pur sous à la température , c'est l'état standard, donc .
Dans un mélange de gaz parfaits, chaque constituant se comporte comme s'il était seul sous sa pression partielle :
À retenir
Savoir établir l'expression dans le cas du gaz parfait pur est exigible.
2.4Phase condensée en mélange idéal
Propriété 2.5Mélange idéal condensé
Pour un constituant d'un mélange liquide ou solide idéal, l'activité est la fraction molaire : où est le potentiel chimique du corps pur dans la même phase, à la même température et à la même pression.
Pour un corps pur en phase condensée, et . Le solvant d'une solution diluée est traité ainsi, avec une activité proche de 1.
2.5Soluté infiniment dilué
Propriété 2.6Soluté infiniment dilué
Pour un soluté en solution diluée, où correspond à l'état de référence conventionnel du soluté à la concentration dans une solution au comportement infiniment dilué.
Ce modèle suppose les interactions entre solutés négligeables. Il devient faux pour des solutions concentrées ou fortement ioniques.
2.6Influence de la pression en phase condensée
De , on tire, à température constante, , le volume molaire. Pour une phase condensée, est faible et peu dépendant de la pression, donc
Cette correction est négligeable pour des écarts de pression de l'ordre du bar, mais pas pour des dizaines de bars. C'est elle qui permet de traiter l'osmose.
2.7Critère de transfert entre phases
Considérons une espèce présente dans deux phases et , à et fixés. Le transfert de moles de vers fait varier l'enthalpie libre de
Propriété 2.7Équilibre entre phases
L'évolution spontanée impose : le transfert se fait spontanément de la phase où le potentiel chimique est le plus élevé vers celle où il est le plus faible. À l'équilibre, les potentiels chimiques sont égaux :
C'est la condition d'équilibre de phases, applicable à un changement d'état, à une dissolution ou à un partage entre deux solvants.
3Osmose et pression osmotique
Définition 3.1Membrane semi-perméable
Une membrane semi-perméable laisse passer le solvant et retient le soluté. Elle sépare deux compartiments, l'un contenant le solvant pur, l'autre une solution du même solvant.
Côté solution, la fraction molaire du solvant est inférieure à 1, donc le terme est négatif et le potentiel chimique du solvant est abaissé par rapport au solvant pur à la même température et à la même pression. Le solvant migre donc spontanément du compartiment pur vers la solution. C'est l'osmose.
La migration fait monter le niveau côté solution, donc y augmente la pression. Cette surpression relève le potentiel chimique du solvant par le terme vu plus haut. L'équilibre est atteint quand les deux effets se compensent.
Définition 3.2Pression osmotique
La surpression à l'équilibre est la pression osmotique , définie par
Propriété 3.3Loi de van't Hoff
Hypothèses
- la solution est diluée.
Alors et où est la concentration totale en particules dissoutes.
Attention
Pour un électrolyte, il faut compter tous les ions : une solution de chlorure de sodium à donne de particules.
Exemple 3.4Eau de mer et osmose inverse
L'eau de mer contient environ de particules dissoutes, d'où d'environ à . C'est la pression minimale à dépasser pour dessaler par osmose inverse, procédé où l'on impose une pression supérieure à côté solution afin d'inverser le sens du transfert. En biologie, ce mécanisme fait gonfler ou se rétracter une cellule placée dans un milieu hypotonique ou hypertonique.
4Grandeurs de réaction et critère d'évolution
4.1Enthalpie libre de réaction
Définition 4.1Enthalpie libre de réaction
Pour une transformation modélisée par une réaction d'équation ,
On définit de même , , et les grandeurs standard associées, avec La loi de Hess s'applique à toutes ces grandeurs standard. Le programme autorise à supposer et indépendantes de la température.
MéthodePrévoir le signe de
- Calculer la variation du nombre de moles de gaz : c'est le terme dominant.
- Si , alors , de l'ordre de la centaine de par mole de gaz créée.
- Si aucun gaz n'intervient, regarder l'augmentation du nombre de particules ou du désordre : la prévision est moins sûre.
4.2Relation fondamentale
En remplaçant chaque potentiel chimique par , on obtient :
Propriété 4.2Relation fondamentale
où est le quotient de réaction, sans dimension, avec les activités dans l'état considéré.
4.3Critère d'évolution
À et fixés, et , avec le lien direct à la création d'entropie
Propriété 4.3Critère d'évolution
À et fixés :
- : l'évolution spontanée se fait dans le sens direct, ;
- : l'évolution se fait dans le sens indirect, ;
- : le système est à l'équilibre chimique, est minimale.
Le système évolue toujours dans le sens où l'affinité chimique l'emporte, et l'entropie créée est positive tant que le système n'est pas à l'équilibre.
4.4Constante thermodynamique d'équilibre
À l'équilibre, , donc .
Définition 4.4Constante thermodynamique d'équilibre
La constante thermodynamique d'équilibre est
L'équilibre chimique se traduit par . La relation générale s'écrit alors
Le critère de première année en découle : si , le système évolue dans le sens direct, si dans le sens indirect. ne dépend que de la température, jamais de la pression ni de la composition.
Attention
Distinguer équilibre chimique et transformation totale. Si un réactif disparaît avant que n'atteigne , il y a rupture d'équilibre et la transformation est totale. On vérifie l'hypothèse a posteriori en comparant final et .
4.5Relation de van't Hoff
Propriété 4.5Relation de van't Hoff
Conséquence qualitative :
- pour une réaction endothermique, croît avec ;
- pour une réaction exothermique, décroît avec .
Dans l'approximation où est constante, l'intégration donne
Application pratique : tracer en fonction de donne une droite de pente . C'est la méthode expérimentale de détermination d'une enthalpie standard de réaction à partir de mesures d'équilibre.
4.6Capacité numérique
Le programme demande de tracer, avec un langage de programmation, le taux d'avancement à l'équilibre en fonction de la température pour une transformation modélisée par une seule réaction.
MéthodeTracer le taux d'avancement à l'équilibre
- Pour chaque température d'une liste, calculer par .
- Résoudre numériquement par une recherche de zéro sur l'intervalle des avancements possibles.
- Tracer en fonction de .
- Commenter le sens de variation avec le signe de .
5Facteurs d'équilibre et degrés de liberté
5.1Facteur d'équilibre
Définition 5.1Facteur d'équilibre
Une grandeur intensive est un facteur d'équilibre si sa variation, les autres paramètres étant fixés, déplace l'état d'équilibre du système.
- La température est toujours un facteur d'équilibre, sauf si est nulle, puisque en dépend.
- La pression totale est un facteur d'équilibre uniquement si la réaction fait varier le nombre de moles de gaz, c'est-à-dire si est non nul. Sinon, les pressions partielles se réarrangent sans modifier .
- L'ajout d'un constituant agit en général sur , donc déplace l'équilibre. Un gaz inerte ajouté à pression totale constante dilue les gaz et déplace l'équilibre dans le sens qui augmente le nombre de moles de gaz. À volume constant, il ne change rien.
5.2Degrés de liberté
Définition 5.2Degrés de liberté
Les degrés de liberté d'un système à l'équilibre, ou variance, sont le nombre de paramètres intensifs indépendants que l'expérimentateur peut fixer librement sans détruire l'état d'équilibre décrit.
MéthodeDénombrer les degrés de liberté
Méthode préférable à une formule apprise par cœur.
- Lister les paramètres intensifs descriptifs : , , et les fractions molaires de chaque constituant dans chaque phase.
- Compter les relations qui les lient : une relation de somme des fractions molaires égale à 1 par phase, une relation d'équilibre par réaction indépendante, et toute contrainte imposée par l'énoncé (proportions stœchiométriques initiales, absence d'un constituant).
- Soustraire.
Exemple 5.3Dissociation du carbonate de calcium
Pour , il y a trois phases dont deux solides purs. Les paramètres sont et , les fractions molaires valant toutes 1. Une seule relation les lie, , avec si le gaz est seul. Les degrés de liberté valent 1 : à une température donnée, la pression d'équilibre du dioxyde de carbone est imposée.
À retenir
Un nombre de degrés de liberté nul signifie que l'état d'équilibre est entièrement déterminé : aucun paramètre intensif n'est libre.
Méthodes
MéthodePrévoir un sens d'évolution
- Calculer dans l'état considéré et le comparer à , ou calculer directement .
- Ne jamais conclure à partir du seul signe de , qui ne renseigne que sur l'état standard.
MéthodeTransfert de matière sans réaction
- Comparer les potentiels chimiques de l'espèce dans les deux phases.
- L'espèce part du potentiel le plus élevé.
MéthodeÉcrire l'activité correcte
- gaz : pression partielle rapportée à ;
- soluté : concentration rapportée à ;
- solide ou liquide pur, et solvant : 1.
MéthodeComposition à l'équilibre
- Dresser un tableau d'avancement.
- Exprimer les activités en fonction de .
- Résoudre .
- Vérifier que l'avancement trouvé est compris entre 0 et l'avancement maximal, et qu'un solide supposé présent l'est réellement.
MéthodeEffet de température ou de pression
- Pour la température, utiliser van't Hoff et le signe de .
- Pour la pression, regarder .
Ce qu'il faut savoir refaire en khôlle
- Écrire les trois identités thermodynamiques et identifier les variables naturelles de , et .
- Justifier que décroît pour une transformation monotherme et monobare, et relier cette décroissance à la création d'entropie.
- Définir le potentiel chimique et établir son expression pour un gaz parfait pur.
- Donner les expressions modèles du potentiel chimique pour un constituant d'un mélange idéal condensé et pour un soluté infiniment dilué.
- Expliquer l'osmose avec les potentiels chimiques et établir la relation entre pression osmotique et concentration.
- Démontrer , puis , et en déduire le critère d'évolution.
- Énoncer la relation de van't Hoff et exploiter un tracé de en fonction de .
- Dénombrer les degrés de liberté d'un système à l'équilibre et interpréter le résultat, sur l'exemple d'un équilibre hétérogène.
Méthodes et exercices
Les résultats à connaître
- Identités thermodynamiques pour un système fermé de composition variable : dU = T dS − p dV + Σ μi dn_i, dH = T dS + V dp + Σ μi dn_i, dG = −S dT + V dp + Σ μi dn_i. Exigibles.
- Entropie molaire standard absolue, positive, origine fixée par le troisième principe. Admis.
- Transformation monotherme, monobare, sans travail autre que celui des forces de pression : ΔG = −T₀ S_créée ≤ 0. Exigible avec démonstration.
- Potentiel chimique μi = (∂G/∂ni) à T, p, nj fixés, intensif. G = Σ ni μi. Définition exigible, la relation d'Euler est admise.
- Gaz parfait pur : μ = μ°(T) + RT ln(p/p°), exigible avec démonstration. Mélange de gaz parfaits, même formule avec pi, admis.
- Constituant d'un mélange condensé idéal : μi = μi*(T, p) + RT ln xi. Soluté infiniment dilué : μi = μi∞(T, p) + RT ln(ci/c°). Modèles admis.
- Influence de la pression sur une phase condensée : (∂μ/∂p)_T = Vm, donc μ*(T, p) ≈ μ*(T, p°) + Vm(p − p°). Exigible avec démonstration.
- Transfert entre phases : la matière va vers le potentiel chimique le plus bas, égalité à l'équilibre. Exigible avec démonstration.
- Pression osmotique : Vm π = −RT ln x_solvant, soit π ≈ c RT en solution diluée, c en particules. Exigible avec démonstration.
- ΔrG = Σ νi μi = ΔrG° + RT ln Q, avec ΔrG° = ΔrH° − TΔ_rS°. Exigible avec démonstration.
- Création d'entropie : δS_créée = −(ΔrG/T) dξ ≥ 0 à T et p fixées. Exigible.
- K°(T) = exp(−ΔrG°/(RT)) et ΔrG = RT ln(Q/K°), d'où le critère Q contre K°. Exigible avec démonstration.
- Relation de van't Hoff : d ln K°/dT = ΔrH°/(RT²). Exigible avec démonstration dans l'approximation où ΔrH° et ΔrS° sont indépendantes de T.
- Facteurs d'équilibre : T si ΔrH° ≠ 0, p si Δν_gaz ≠ 0. Degrés de liberté par dénombrement. Exigibles.
- Hors programme : règle des phases de Gibbs comme formule, loi de modération de Le Chatelier comme principe. On raisonne toujours avec Q et K°.
Clés de démonstration
Décroissance de G. Premier principe en monobare, ΔH = Q. Second principe monotherme, ΔS = Q/T₀ + S_créée. Comme T_initiale = T_finale = T₀, ΔG = ΔH − T₀ΔS = Q − Q − T₀S_créée. L'astuce est que G = H − TS ne se calcule qu'aux extrémités, où T vaut T₀.
Potentiel chimique du gaz parfait pur. À T et n fixés, dG = V dp. On divise par n, dμ = Vm dp = RT dp/p. On intègre de p° à p.
Transfert entre phases. dn moles passent de α vers β à T et p fixées. dG = μβ dn − μα dn. Comme dG ≤ 0 et dn > 0, il faut μβ ≤ μα. À l'équilibre, dG = 0 pour tout dn, d'où l'égalité.
ΔrG en fonction de Q. ΔrG = Σ νi μi. On remplace chaque μi par μiréf + RT ln ai. La somme Σ νi ln ai est le logarithme du produit Π aiνi, c'est Q.
van't Hoff. ln K° = −ΔrH°/(RT) + ΔrS°/R. On dérive par rapport à T avec ΔrH° et ΔrS° constantes. Il reste ΔrH°/(RT²).
Osmose. Égalité des potentiels chimiques du solvant de part et d'autre de la membrane : μ*(T, p₀) = μ*(T, p₀) + Vm π + RT ln x. D'où Vm π = −RT ln x, puis π ≈ c RT en développant ln(1 − x_soluté).
Exemples et contre-exemples à connaître
- Entropies molaires standard à 298 K, en J·K⁻¹·mol⁻¹ : graphite 6, eau liquide 70, dihydrogène 131, dioxygène 205. À retenir pour prévoir un signe de ΔrS°.
- Synthèse de l'ammoniac, ΔrH° = −92 kJ·mol⁻¹, ΔrS° = −199 J·K⁻¹·mol⁻¹ : favorisée à froid et sous pression, mais lente à froid. Le compromis type.
- Décomposition du carbonate de calcium, ΔrH° = +178 kJ·mol⁻¹, ΔrS° = +161 J·K⁻¹·mol⁻¹ : K° = 1 vers 1 100 K, température où p(CO₂) atteint 1 bar. Un seul degré de liberté.
- Acide faible, K° = 10⁻⁵, donc ΔrG° = +28,5 kJ·mol⁻¹ à 298 K, positif : pourtant l'acide se dissocie dans l'eau pure, car Q = 0 au départ et ΔrG est alors négatif. Le signe de ΔrG° ne dit rien sur le sens d'évolution.
- Gaz inerte ajouté à volume constant : aucune pression partielle ne change, aucun effet. À pression constante, il dilue et déplace l'équilibre dans le sens où Δν_gaz > 0.
- Partage du diiode entre eau et cyclohexane : égalité des potentiels chimiques, donc rapport des concentrations constant, le coefficient de partage.
Techniques du chapitre
-
Prévoir le signe de ΔrS°. 2 SO₂(g) + O₂(g) → 2 SO₃(g), Δν_gaz = −1, donc ΔrS° < 0, valeur tabulée −188 J·K⁻¹·mol⁻¹. Ordre de grandeur, une centaine par mole de gaz disparue.
-
Calculer K° à une température quelconque. CaCO₃(s) = CaO(s) + CO₂(g). À 1 000 K, ΔrG° = 178 000 − 1 000 × 161 = 17 000 J·mol⁻¹, K° = exp(−17 000/8 314) = 0,13, p(CO₂) = 0,13 bar. À 1 200 K, ΔrG° = −15 200 J·mol⁻¹, K° = 4,6, p(CO₂) = 4,6 bar.
-
van't Hoff entre deux températures. K° double entre 300 K et 320 K. ΔrH° = R ln 2/(1/300 − 1/320) = 5,76/(2,08·10⁻⁴) = 28 kJ·mol⁻¹, endothermique. Même calcul que l'énergie d'activation, avec un signe opposé dans la formule.
-
Pression osmotique. Glucose à 0,30 mol·L⁻¹ à 310 K : π = 300 × 8,314 × 310 = 7,7·10⁵ Pa = 7,7 bar. Chlorure de sodium à 9,0 g·L⁻¹ : c = 0,154 mol·L⁻¹, deux ions, 0,308 mol·L⁻¹ de particules, π = 7,9 bar. Les deux solutions sont isotoniques du sang.
-
Dénombrer les degrés de liberté. N₂ + 3 H₂ = 2 NH₃ en phase gazeuse. Paramètres : T, p, trois fractions molaires. Relations : somme égale à 1, loi d'action de masse. Cinq moins deux, trois degrés. Mélange initial stœchiométrique : x(H₂) = 3 x(N₂), une relation de plus, deux degrés.
Exercices classiques corrigés
Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.
Exercice 1. Compression et mélange de gaz parfaits
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
Établir μ(T, p) pour un gaz parfait pur. Calculer ΔG pour la compression isotherme de 1 mol de 1 bar à 10 bar à 298 K. Puis ΔG, ΔH et ΔS quand on mélange 1 mol de A et 1 mol de B, gaz parfaits, à T et p fixées.
Technique G = Σ ni μi, avant et après.
Voir le corrigé
- À T fixée, dμ = Vm dp = RT dp/p, donc μ = μ°(T) + RT ln(p/p°).
- Compression : ΔG = n RT ln(p₂/p₁) = 2 478 × ln 10 = 5,7 kJ.
- Mélange : avant, G = μA°(p) + μB°(p). Après, chaque gaz est sous sa pression partielle p/2. ΔG = RT ln(1/2) + RT ln(1/2) = −2 RT ln 2 = −3,4 kJ.
- Pour des gaz parfaits ΔH = 0, donc ΔS = −ΔG/T = 2 R ln 2 = 11,5 J·K⁻¹. Le mélange est spontané par l'entropie seule.
piège : Écrire μ avec la pression totale au lieu de la pression partielle après mélange.
Exercice 2. Enthalpie libre le long d'une réaction
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
A = B en solution aqueuse, K° = 4 à 298 K, [A]₀ = 1,0 mol·L⁻¹, V = 1 L, B absent au départ. Exprimer G(ξ) − G(0), retrouver l'équilibre, calculer ΔG entre l'état initial et l'équilibre et l'entropie créée.
Technique G = Σ ni μi avec les potentiels chimiques de solutés.
Voir le corrigé
- nA = 1 − ξ, nB = ξ, c° = 1 mol·L⁻¹ et V = 1 L, donc [A] = 1 − ξ et [B] = ξ numériquement. G(ξ) = (1 − ξ)(μA∞ + RT ln(1 − ξ)) + ξ(μB∞ + RT ln ξ).
- G(ξ) − G(0) = ξ ΔrG° + RT[(1 − ξ) ln(1 − ξ) + ξ ln ξ], avec ΔrG° = μB∞ − μA∞ = −RT ln 4.
- Dérivée : ΔrG = ΔrG° + RT ln(ξ/(1 − ξ)), nulle pour ξ/(1 − ξ) = 4, ξ_éq = 0,80 mol. Minimum de G, car la dérivée est croissante.
- ΔG = −0,80 × 3 436 + 2 478 × (0,2 ln 0,2 + 0,8 ln 0,8) = −2 749 − 1 241 = −4,0 kJ. S_créée = 4 000/298 = 13 J·K⁻¹.
- À ξ = 1, G(1) − G(0) = ΔrG° = −3,4 kJ, moins bas que −4,0 kJ. La transformation totale n'est pas le minimum.
piège : Oublier le terme en ln, qui vaut −∞ en pente à ξ = 0 et à ξ = 1. C'est lui qui rend l'équilibre intérieur.
Exercice 3. Osmose inverse et dessalement
Classiques de khôlle et concours · Khôlle
L'eau de mer contient environ 1,1 mol·L⁻¹ de particules dissoutes. Expliquer l'osmose avec les potentiels chimiques, calculer π à 298 K, en déduire la pression minimale à appliquer pour dessaler et le travail minimal par mètre cube d'eau douce produite.
Technique égalité des potentiels chimiques du solvant, puis π ≈ c RT.
Voir le corrigé
- Côté solution, μeau = μ*(T, p) + RT ln xeau < μ*(T, p). L'eau pure migre vers la solution.
- Une surpression π côté solution ajoute Vm π et rétablit l'égalité : Vm π = −RT ln xeau ≈ RT x_soluté, d'où π ≈ c RT.
- π = 1 100 × 8,314 × 298 = 2,7·10⁶ Pa = 27 bar.
- Pour inverser le flux il faut une surpression supérieure à 27 bar. Travail minimal par mètre cube extrait : π V = 2,7 MJ, soit 0,76 kWh·m⁻³, plusieurs fois moins que les installations réelles.
piège : Compter la concentration en sel et non en particules, ce qui divise π par deux pour NaCl.
Exercice 4. Équilibre de Boudouard
Classiques de khôlle et concours · Écrit CCINP
C(s) + CO₂(g) = 2 CO(g), ΔrH° = +172 kJ·mol⁻¹, ΔrS° = +176 J·K⁻¹·mol⁻¹. Calculer la température d'inversion, K° à 1 000 K, puis la composition à l'équilibre à 1 000 K sous 1 bar pour 1 mol de CO₂ et un excès de carbone. Effet d'une hausse de pression, degrés de liberté.
Technique ΔrG°(T) affine, puis quotient en fractions molaires avec facteur de pression.
Voir le corrigé
- ΔrG° = 0 pour T = 172 000/176 = 977 K. En dessous, K° < 1, le carbone est stable. Au-dessus, CO domine.
- À 1 000 K, ΔrG° = 172 000 − 176 000 = −4 000 J·mol⁻¹, K° = exp(4 000/8 314) = 1,6.
- Tableau : CO₂ 1 − ξ, CO 2ξ, total gazeux 1 + ξ. Q = x(CO)² (p/p°)/x(CO₂) = 4ξ²/((1 − ξ)(1 + ξ)) = 4ξ²/(1 − ξ²).
- 4ξ² = 1,6(1 − ξ²), ξ² = 1,6/5,6, ξ = 0,54 mol. Il faut 0,54 mol de carbone, disponible. x(CO) = 1,08/1,54 = 0,70.
- Sous 10 bar, 40ξ² = 1,6(1 − ξ²), ξ = 0,20 mol. Δν_gaz = +1, la pression est un facteur d'équilibre et défavorise CO.
- Degrés de liberté : T, p, x(CO), x(CO₂), quatre paramètres, deux relations, deux degrés.
piège : Mettre le carbone solide dans Q ou dans le total gazeux.
Exercice 5. Exploiter deux constantes d'équilibre
Classiques de khôlle et concours · Écrit CCINP
Pour N₂ + 3 H₂ = 2 NH₃, K°(500 K) = 0,15 et K°(700 K) = 2,8·10⁻⁴. Déterminer ΔrH° et ΔrS°, commenter les signes, et dire à quelle température K° vaut 1.
Technique van't Hoff intégrée, puis ΔrG° = −RT ln K° pour isoler ΔrS°.
Voir le corrigé
- ln(K₂/K₁) = −(ΔrH°/R)(1/T₂ − 1/T₁). ln(2,8·10⁻⁴/0,15) = −6,28 et 1/700 − 1/500 = −5,71·10⁻⁴ K⁻¹.
- ΔrH° = −8,314 × (−6,28)/(−5,71·10⁻⁴) = −91 kJ·mol⁻¹. Exothermique, K° décroît avec T, cohérent.
- ΔrG°(500 K) = −8,314 × 500 × ln 0,15 = +7,9 kJ·mol⁻¹. ΔrS° = (ΔrH° − ΔrG°)/T = (−91 400 − 7 900)/500 = −199 J·K⁻¹·mol⁻¹. Deux moles de gaz disparaissent, signe attendu.
- K° = 1 pour T = ΔrH°/ΔrS° = 91 400/199 = 459 K.
piège : Inverser le signe dans van't Hoff, ce qui donne une réaction endothermique dont K° diminue quand T monte, absurde.
Exercice 6. Pression de vapeur saturante comme constante d'équilibre
Classiques de khôlle et concours · Écrit e3a
H₂O(l) = H₂O(g), ΔvapH° = 44,0 kJ·mol⁻¹, S°(H₂O, l) = 70 et S°(H₂O, g) = 189 J·K⁻¹·mol⁻¹. Exprimer K° en fonction de la pression de vapeur saturante, la calculer à 298 K, estimer la température d'ébullition sous 1 bar, dénombrer les degrés de liberté.
Technique traiter un changement d'état comme une réaction.
Voir le corrigé
- Activité du liquide pur égale à 1, du gaz p/p°. K° = psat/p°.
- ΔrS° = 119 J·K⁻¹·mol⁻¹. ΔrG°(298) = 44 000 − 298 × 119 = 8 540 J·mol⁻¹. K° = exp(−8 540/2 478) = 0,032, psat = 3,2 kPa, valeur tabulée 3,17 kPa.
- Ébullition sous 1 bar : K° = 1, T = 44 000/119 = 370 K. L'écart à 373 K vient de l'approximation d'Ellingham sur 75 K.
- Degrés de liberté : T et p, une relation K°(T) = p/p°, un degré. Fixer T impose psat, c'est la courbe de vaporisation.
piège : Mettre une activité 1 pour la vapeur, ou oublier que S° du gaz dépasse celle du liquide, ce qui donnerait ΔrS° < 0 et aucune ébullition.
Exercice 7. Réaction couplée à l'hydrolyse de l'ATP
Approfondissement · Écrit Mines
Dans la cellule à 310 K, une réaction A → B a ΔrG°₁ = +20 kJ·mol⁻¹. L'hydrolyse de l'ATP en ADP a ΔrG°₂ = −30,5 kJ·mol⁻¹. Calculer K°₁, puis la constante de la réaction couplée A + ATP → B + ADP. Pourquoi l'enthalpie libre de réaction effective de l'hydrolyse de l'ATP est-elle bien plus négative que ΔrG°₂ ?
Technique loi de Hess sur ΔrG°, puis distinction ΔrG et ΔrG°.
Voir le corrigé
- RT = 2 577 J·mol⁻¹. K°₁ = exp(−20 000/2 577) = 4,3·10⁻⁴. Seule, la réaction est presque nulle.
- Couplage : l'équation couplée est la somme, ΔrG° = +20 − 30,5 = −10,5 kJ·mol⁻¹, K° = exp(10 500/2 577) = 59.
- Dans la cellule, Q pour l'hydrolyse de l'ATP est de l'ordre de 10⁻⁴, car l'ATP est maintenu en excès. ΔrG = −30,5 + RT ln Q = −54 kJ·mol⁻¹. C'est cette valeur, et non ΔrG°, qui mesure le pouvoir moteur.
piège : Additionner des constantes d'équilibre au lieu de les multiplier. Les ΔrG° s'ajoutent, les K° se multiplient.
Exercice 8. Décomposition d'un solide et rupture d'équilibre
Approfondissement · Écrit Centrale
NH₄Cl(s) = NH₃(g) + HCl(g), ΔrH° = +176 kJ·mol⁻¹, ΔrS° = +285 J·K⁻¹·mol⁻¹. On place 0,10 mol de solide dans une enceinte vide de 5,0 L à 600 K. Calculer K°, la pression à l'équilibre, vérifier qu'il reste du solide, puis reprendre avec 10 L. Degrés de liberté dans chaque cas.
Technique K° calculée, quotient en pressions, test de présence du solide.
Voir le corrigé
- ΔrG°(600) = 176 000 − 171 000 = +5 000 J·mol⁻¹, K° = exp(−5 000/4 988) = 0,37.
- Les deux gaz viennent du seul solide, p(NH₃) = p(HCl) = p. K° = p²/p°², p = 0,61 bar, P = 1,2 bar.
- Quantité de chaque gaz : n = pV/(RT) = 0,61·10⁵ × 5,0·10⁻³/(8,314 × 600) = 0,061 mol, inférieur à 0,10 mol. Le solide est présent, l'équilibre existe.
- Dans 10 L il faudrait 0,12 mol, plus que 0,10. Décomposition totale, p = nRT/V = 0,50 bar pour chaque gaz, Q = 0,25 < K°, cohérent.
- Degrés de liberté : T, p, x(NH₃), x(HCl), quatre paramètres. Relations : somme égale à 1, loi d'action de masse, égalité des fractions imposée par l'origine des gaz, trois. Un degré, fixer T impose P.
piège : Conclure à l'équilibre sans comparer la quantité de gaz exigée à la quantité de solide disponible.
Erreurs fréquentes
- Décider du sens d'évolution avec le signe de ΔrG° au lieu de ΔrG, ou comparer ΔrG° à zéro pour dire qu'une réaction « ne se fait pas ».
- Écrire μ = μ° + RT ln p en oubliant p°, ou utiliser la pression totale pour un constituant d'un mélange.
- Oublier une relation dans le dénombrement des degrés de liberté, en particulier la contrainte de proportions imposée par l'origine des gaz.
- Dire que la pression déplace tout équilibre, ou que la température ne modifie que la vitesse. La température change K°, la pression n'agit que si Δν_gaz ≠ 0.
- Confondre les entropies molaires standard absolues, toujours positives, avec les enthalpies de formation relatives, et attribuer une entropie nulle à un corps simple.
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de PC (2021), partie 1, paragraphe 1.2 « Deuxième principe de la thermodynamique appliqué aux transformations physico-chimiques ». Elle couvre les identités thermodynamiques, l'entropie molaire standard absolue, l'enthalpie libre, le potentiel chimique et ses expressions modèles, l'osmose, les grandeurs de réaction, le critère d'évolution, la constante thermodynamique d'équilibre, la relation de van't Hoff et les degrés de liberté. La théorie de l'état de transition, également rattachée à ce paragraphe du programme, est traitée dans le chapitre suivant.