Terminale Spécialité Physique/chimie : Liste des chapitres
Chap09 : Évolution spontanée d'un système chimique
Exercices
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9.E6 : Détermination de l’avancement final à partir de K(T)

Dans \(V_0 = \pu{100 mL}\) d’une solution aqueuse contenant des ions \(\ce{Cu^2+}\) à la concentration \([\ce{Cu^2+}]_0 = \pu{0,10 mol*L–1}\), on introduit \(\pu{0,40 mol}\) d’étain métallique \(\ce{Sn}\). Il se produit une transformation modélisée par la réaction dont l’équation est : \(\ce{Sn(s) + Cu^2+(aq) <--> Sn^2+(aq) + Cu(s)}\).

La constante d’équilibre de cette transformation à \(\pu{25 °C}\) vaut \(K = \pu{10^16}\).

1 Établir un tableau d’avancement de cette transformation.

2 Exprimer la constante d’équilibre \(K\) de la transformation en fonction de \(x_f\).

3 Calculer alors la valeur de l’avancement final \(x_f\) de la transformation.

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1

Av. \(\ce{Sn}\) \(+\) \(\ce{Cu^2+}\) \(\ce{<-->}\) \(\ce{Sn^2+}\) \(\ce{Cu}\)
État initial \(x = 0\) \(n_0(\ce{Sn})\) \(n_0(\ce{Cu^2+})\)   \(0\) \(0\)
État final \(x = x_f\) \(n_f(\ce{Sn}) = n_0(\ce{Sn}) - x_f\) \(n_f(\ce{Cu^2+}) = n_0(\ce{Cu^2+}) - x_f\)   \(n_f(\ce{Sn^2+}) = x_f\) \(n_f(\ce{Cu}) = x_f\)
État maximal \(x = x_m\) \(n_m(\ce{Sn}) = n_0(\ce{Sn}) - x_m\) \(n_m(\ce{Cu^2+}) = n_0(\ce{Cu^2+}) - x_m\)   \(n_m(\ce{Sn^2+}) = x_m\) \(n_m(\ce{Cu}) = x_m\)

2

\(K = \dfrac{\left(\dfrac{[\ce{Sn^2+}]_f}{c^0}\right)^1 × 1^1}{1^1 × \left(\dfrac{[\ce{Cu^2+}]_f}{c^0}\right)^1}\)

Soit, avec des concentrations en \(\pu{mol*L-1}\) : \(K(T) = \dfrac{[\ce{Sn^2+}]_f}{[\ce{Cu^2+}]_f}\)

Donc \(K = \dfrac{\left( \dfrac{n_f(\ce{Sn^2+})}{V_{tot}} \right)}{\left( \dfrac{n_f(\ce{Cu^2+})}{V_{tot}} \right)}\)

Soit \(K = \dfrac{x_f}{n_0(\ce{Cu^2+})-x_f} \)

3

D'après la relation précédente : \(K×\left(n_0(\ce{Cu^2+})-x_f\right) = x_f\)

Soit : \(K×n_0(\ce{Cu^2+})-K×x_f = x_f\)

Soit : \( x_f + K×x_f = K×n_0(\ce{Cu^2+})\)

Soit : \( x_f×(1+K) = K×n_0(\ce{Cu^2+}) \)

Soit :

\(\begin{align} x_f &= \dfrac{K×n_0(\ce{Cu^2+})}{1+K} \\ &= \dfrac{K×[\ce{Cu^2+}]_0×V_0}{1+K} \\ &= \dfrac{10^{16}×\pu{0,10}×\pu{0,100}}{1+10^{16}} \\ &= \pu{0,010 mol} \end{align} \)

 

Remarque :

Si on calculait l'avancement maximal on trouverait \(x_m = \pu{0,010 mol}\) avec les ions \(\ce{Cu^2+}\) comme réactif en défaut.

Donc la transformation est totale.

Cela est cohérent avec le fait que \(K > 10^4\).