Fiche de révision : Thermodynamique chimique

Les notions de cette fiche

• Diagrammes binaires et théorème des moments chimiques — Lire et exploiter un diagramme d'équilibre entre deux phases d'un mélange de deux constituants, à pression fixée (isobare, en fonction de la température) ou à température fixée (isotherme, en fonction de la pression). Vocabulaire de la lecture : courbes de bulle et de rosée pour un équilibre liquide-vapeur, liquidus et solidus pour un équilibre solide-liquide, domaines à une et à deux phases, fuseau simple, mélange à point d'ébullition constant (azéotrope), point eutectique d'un binaire à miscibilité nulle à l'état solide. Détermination de la composition de CHAQUE phase par lecture horizontale, puis des quantités de matière ou des masses de chaque phase par le théorème des moments chimiques — le bilan de matière écrit sous forme de bras de levier. Application à la distillation fractionnée et à la solidification d'un alliage.
• Optimisation d'un procédé chimique : variance et déplacement d'équilibre — Choisir les conditions d'un procédé industriel à partir de la thermodynamique. Degrés de liberté d'un système à l'équilibre : nombre de paramètres intensifs indépendants (variance), influence d'une contrainte imposée par l'expérimentateur. Effet d'une variation isobare de température sur la constante d'équilibre (le sens dicté par le caractère exo- ou endothermique), effet d'une variation isotherme de pression totale sur l'avancement d'un équilibre en phase gazeuse (le sens dicté par la variation du nombre de moles de gaz), effet de l'ajout d'un constituant actif ou d'un constituant inerte à température et pression fixées. Rupture d'équilibre : disparition d'une phase condensée, et pourquoi le raisonnement de déplacement cesse alors de s'appliquer. Confrontation du rendement thermodynamique au coût de la contrainte et à la vitesse de la transformation : l'optimum industriel n'est jamais l'optimum thermodynamique seul.

À maîtriser avant de commencer

Ces notions sont utilisées ici. Relisez-les si l’une d’elles vous échappe.

• États de la matière et changements d'état — Solide, liquide, gaz ; propriétés macroscopiques ; fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction ; palier de température lors d'un changement d'état d'un corps pur.
• Corps purs et mélanges — Mélange homogène/hétérogène, corps pur, techniques de séparation (décantation, filtration, distillation), miscibilité.
• Masse, volume et masse volumique — ρ = m / V, unités (kg/m³, g/cm³, g/mL), masse volumique de l'eau, identification d'une espèce, flottabilité.
• Masse molaire et quantité de matière — Masse molaire atomique (tableau périodique) et moléculaire (somme pondérée par les indices), relation n = m / M, passage masse ↔ quantité de matière ↔ nombre d'entités.
• Proportionnalité — Reconnaître une situation de proportionnalité, coefficient de proportionnalité, passage à l'unité, produit en croix, tableau et représentation graphique.
• Géométrie repérée — Coordonnées d'un point, milieu d'un segment, distance entre deux points dans un repère orthonormé, équation de droite.
• Grandeurs standard de réaction et enthalpie libre — État standard et grandeurs standard de réaction ; enthalpie standard de réaction obtenue par la loi de Hess à partir des enthalpies standard de formation ; entropie standard de réaction et signe prévisible d'après le désordre ; enthalpie libre standard reliant enthalpie, entropie et température ; relation entre enthalpie libre standard et constante d'équilibre ; enthalpie libre de réaction, quotient de réaction et critère d'évolution spontanée ; influence de la température sur la constante d'équilibre (relation de van 't Hoff).
• Réseaux cubiques et compacité — Description d'un solide cristallin : réseau, motif, maille conventionnelle ; les trois réseaux cubiques (simple, centré, à faces centrées) ; population d'une maille, coordinence, condition de tangence entre plus proches voisins, relation entre le rayon métallique et le paramètre de maille ; compacité ; masse volumique d'un cristal métallique ; sites interstitiels octaédriques et tétraédriques d'un réseau cubique à faces centrées, leur nombre et la taille maximale de l'atome inséré.
• État d'équilibre et constante d'équilibre — Transformation non totale, équilibre dynamique, quotient de réaction Q_r, constante K, taux d'avancement final, sens d'évolution spontané.
• Déplacement d'équilibre — Influence de la température (loi de Van 't Hoff), de la pression et de la composition sur un équilibre ; principe de modération (Le Chatelier) ; optimisation d'une synthèse.
• Aspects énergétiques des transformations chimiques — Transformation exothermique/endothermique, énergie molaire de réaction, énergie libérée par une combustion, pouvoir calorifique, bilan énergétique.
• Volume molaire d'un gaz — V_m (≈ 24 L/mol à 20 °C et 1013 hPa), n = V / V_m, indépendance de la nature du gaz (loi d'Avogadro-Ampère).
• Modèle du gaz parfait — Interprétation microscopique de la pression et de la température, équation d'état p V = n R T, température absolue en kelvin.
• Premier principe de la thermodynamique — ΔU = W + Q pour un système fermé, travail des forces de pression, transformations isotherme, isochore, isobare, adiabatique.
• Fonction logarithme népérien — Réciproque de l'exponentielle, ln(ab) = ln a + ln b, ln(a^n) = n ln a, variations, dérivée 1/x, résolution d'équations e^x = k.

S’entraîner sur ces notions

• S’entraîner : Diagrammes binaires et règle du levier
• S’entraîner : Piloter un équilibre chimique

Pour aller plus loin

• Chimie de coordination
• Chimie organique
• Cinétique chimique
• Électrochimie
• Matériaux et diagrammes binaires
• Oxydoréduction en solution aqueuse
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