Sciences Physiques - Chimie MP
Partie F : Thermochimie – Ch.3 : Équilibre et optimisation d'un procédé chimique


Partie F : Thermochimie
Seq n° Titre Durée Date
Partie F Thermochimie
Seq 3 Équilibre et optimisation d'un procédé chimique 6 h. '05/02
Prog off Constante d'équilibre, relation Énoncer et exploiter la relation de
de Van't Hoff. Van't Hoff.
Déterminer la valeur de la
constante d'équilibre
thermodynamique à une
température quelconque.
Déterminer la valeur d'une
constante d'équilibre
thermodynamique d'une réaction
par combinaison de constantes
d'équilibres thermodynamiques
d'autres réactions.
État d'équilibre d'un système : Déterminer la composition
équilibre chimique ou tsfo chimique d'un système dans l'état
totale. final, en distinguant les cas
d'équilibre chimique et de tsfo
totale, pour une tsfo modélisée
par une réaction chimique unique.
Mettre en œuvre une démarche
expérimentale pour déterminer la
valeur d'une constante
d'équilibre en solution aqueuse.
Caractérisation de l'état Reconnaître si une variable
intensif d'un système en intensive est ou non un paramètre
équilibre : nbre de degrés de d'influence d'un équilibre
liberté (variance) d'un système chimique.
à l'équilibre. Recenser les variables intensives
pertinentes de description du
système à l'équilibre pour en
déduire le nbre de degrés de
liberté de celui-ci.
Optimisation d'un procédé Identifier les paramètres
chimique : d'influence et leur sens
- Par modification de la valeur d'évolution pour optimiser une
de K0 synthèse ou minimiser la
- Par modification de la valeur formation d'un produit secondaire
du quotient réactionnel indésirable.
Approche documentaire : A
partir de documents décrivant une
unité de synthèse industrielle,
analyser les choix industriels,
aspects environnementaux inclus.

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Partie F : Thermochimie – Ch.3 : Équilibre et optimisation d'un procédé chimique


Seq n° Titre Durée Date
Prérequis Trsfo chimique MPSI
Ouverture
Ch.3 Équilibre et optimisation d'un procédé chimique 3h
I – Étude de l'équilibre physico-chimique
II – Variance d'un système à l'équilibre
III – Déplacement ou rupture d'équilibre
IV – Optimisation des paramètres physiques T et P
V – Optimisation des paramètres chimiques
VI – Transformation chimique selon plusieurs réactions
TP Pas de TP 0h
TD Exercices 3h
DM
DS DS 5




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La transformation de la matière a été abordée au début de la classe de MPSI ; les changements d'état
du corps pur ont été évoqués et le critère d'évolution chimique en transformation a été présenté sans
être démontré. Ce dernier a été utilisé au travers de l'étude de l'évolution des systèmes chimiques,
étude restreinte au cas où une seule réaction modélise la transformation.
Le but de cette partie est double :
• d'une part aborder les transferts thermiques d'un système engagé dans une transformation
chimique,
• d'autre part établir et utiliser le critère d'évolution spontané d'un système chimique, ce qui
nécessite l'introduction de la fonction G et du potentiel chimique.
On adopte pour les potentiels chimique une expression générale : μi (T , a i )=μ0i (T )+ RT ln a i qui
fait référence aux expressions des activités vues en 1 ere année. L'établissement de cette expression
est hors programme. L'influence de la pression sur le potentiel chimique d'un constituant en phase
condensée pure n'est pas abordée. On se limite aux cas d'une espèce chimique pure ou dans un
mélange dans le cas de solutions aqueuse très diluées ou de mélanges idéaux de gaz parfaits, avec
référence à l'état standard.
Les grandeurs standard de réaction sont introduites. Pour le calcul des grandeurs standard de
réaction, les enthalpies et entropies standard de réaction sont supposées indépendantes de la
température. D'une part, le calcul de ces grandeurs à 298 K à partir de tables de données
thermodynamiques rend possible, pour un système engagé dans une tsfo physico-chimique, une
estimation du transfert thermique qui peut être confrontée à l'expérience. D'autre part, les grandeurs
standard de réaction permettent la détermination de la valeur de la constante thermodynamique K 0
caractéristique d'une réaction, valeur qui était simplement donnée en 1ere année. C'est ainsi
l'occasion de revenir sur la détermination de la composition du système physico-chimique en fin
d'évolution.
Pour un système en équilibre, le calcul de la variance permet, via l'identification méthodique des
variables intensives de description, une caractérisation de l'état intensif de celui-ci par la
détermination de son « nombre de degrés de liberté ». L'utilisation du théorème de Gibbs ne relève
pas du programme.
La notion d'affinité chimique n'est pas utilisée, le sens d'évolution spontanée d'un système hors
d'équilibre, à température et pression fixées, est déterminée par le signe de DrG.
Enfin, l'étude de l'influence de la modification d'un paramètre (pression, température ou
composition) sur un système chimique permet d'aborder la problématique de l'optimisation des
conditions opératoires d'une synthèse. L'étude de tout ou partie d'une unité de synthèse industrielle
est conduite à l'aide d'une approche documentaire.

Objectifs :
Les compétences développées sont :
• Choisir de manière rigoureuse et décrire le système physico-chimique étudié ;
• Distinguer modélisation d'une tsfo chimique (réaction chimique et écriture de l'équation de
réaction) et description quantitative de l'évolution d'un syst prenant en compte les conditions
expérimentales choisies pour réaliser la tsfo ;
• Utiliser des tables de données thermodynamiques ;
• Confronter des grandeurs calculées à des mesures expérimentales.



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Ch.3 Équilibre et optimisation d'un procédé chimique

I. Étude de l'équilibre physico-chimique
I.1. Paramétrage du système
• Cas général : L'évolution d'un système chimique est caractérisé par l'avancement de la
réaction : x. C'est un paramètre extensif, exprimé en mol.
• Cas particulier :Si la réaction a un unique réactif, ou des réactifs mélangés en proportions
stœchiométriques, alors il est conseillé d'utiliser le coefficient de dissociation a (utilisé pour
un réactif qui se dissocie) ou le taux de conversion t qui sont des paramètres intensifs et
simplifient souvent les calculs.
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