Terminale · Physique-chimie

Évolution spontanée et piles

Chapitre 7

15 questions originales à réponses multiples pour vérifier les notions, les méthodes et les points de vigilance du chapitre.

Prévois papier, stylo et calculatrice. Plusieurs réponses peuvent être justes. Établis le bilan et le quotient avant de conclure sur le sens ; suis électrons et ions dans des trajets distincts.

Comment répondre ?

Prévois une feuille et un stylo pour poser tes calculs et rédiger tes étapes. Chaque QCM propose cinq affirmations. Une ou plusieurs réponses peuvent être exactes. Coche-les, vérifie, puis ouvre la correction pour comprendre chaque proposition. Tu obtiens un point seulement si tu coches toutes les bonnes réponses, sans cocher de réponse fausse.

0 question vérifiée sur 15

Question 1

Avancement final d'une réaction

Pour A+B ⇌ C, les quantités initiales sont n(A)=0,50 mmol et n(B)=0,80 mmol, sans C. L'analyse finale donne n(C)=0,40 mmol. Quelles lectures du bilan sont exactes ?

Le système est nécessairement à l'équilibre parce que x_f<x_max. B est le réactif limitant initial. Le taux d'avancement final est 80 %. Il reste 0,10 mmol de A dans l'état final. L'avancement maximal théorique est 0,50 mmol.

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Réponse attendue : C, D, E

A — Faux. Faux. Un avancement final limité peut aussi provenir d'un arrêt expérimental ; établir l'équilibre demande d'autres données.
B — Faux. Faux. B est présent en quantité 0,80 mmol, supérieure aux 0,50 mmol de A pour ce bilan unitaire.
C — Vrai. Vrai. On divise x_f=0,40 mmol par x_max=0,50 mmol ; le quotient vaut 0,80.
D — Vrai. Vrai. Chaque mole de C formée consomme une mole de A ; n_f(A)=0,50−0,40=0,10 mmol.
E — Vrai. Vrai. Avec des coefficients unitaires, A limite le tableau initial : min(0,50 ; 0,80)=0,50 mmol.

Méthode à retenir. Établir le tableau stœchiométrique avant de nommer un réactif limitant ou un équilibre.

Question 2

Quotient d'une complexation

On modélise Fe³⁺+SCN⁻ ⇌ FeSCN²⁺ en solution diluée. À un instant, les concentrations valent respectivement 0,010, 0,020 et 0,0040 mol·L⁻¹, avec c°=1 mol·L⁻¹. Quel quotient Q_r calculer ?

Le quotient doit inclure les concentrations des trois espèces écrites. La seule valeur de Q_r révèle déjà le sens spontané. Q_r possède l'unité mol·L⁻¹. Q_r=20, sans unité. Q_r=0,050.

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Réponse attendue : A, D

A — Vrai. Vrai. Chaque espèce dissoute du bilan participe avec un exposant égal à son coefficient stœchiométrique, ici un.
B — Faux. Faux. Il faut comparer Q_r à la constante K à la température donnée pour prévoir le sens.
C — Faux. Faux. Les concentrations sont divisées par c° avant de former le quotient ; le résultat thermodynamique est sans dimension.
D — Vrai. Vrai. L'activité approchée du complexe est au numérateur et celles des réactifs au dénominateur ; la formule normalisée donne (0,0040/c°)/[(0,010/c°)(0,020/c°)]=20 avec c°=1 mol·L⁻¹.
E — Faux. Faux. Ce quotient inverse produits et réactifs ; il correspondrait au bilan écrit dans l'autre sens.

Méthode à retenir. Écrire le produit des activités approchées et le comparer ensuite à K.

Question 3

Décider d'un sens d'évolution

Pour A(aq)+B(aq) ⇌ C(aq), on calcule Q_r,i=0,20 et on donne K=5,0 à la température du mélange. Quelle évolution spontanée est prévue par ce modèle ?

L'évolution inverse est favorisée car 0,20 est positif. La réaction directe doit nécessairement aller jusqu'à x_max. Q_r,i=K dès le début. L'évolution directe est favorisée au départ. Le quotient doit diminuer pour rejoindre K.

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Réponse attendue : D

A — Faux. Faux. Le signe positif d'un quotient n'établit pas le sens ; seule sa comparaison à K le fait.
B — Faux. Faux. Le critère donne le sens initial, mais ne garantit pas la consommation totale d'un réactif.
C — Faux. Faux. Les valeurs fournies sont 0,20 et 5,0, très différentes ; le système n'est pas initialement au critère d'équilibre.
D — Vrai. Vrai. Comme Q_r,i<K, le système peut former davantage de C pour rapprocher son quotient de K.
E — Faux. Faux. Partant de 0,20, il doit augmenter pour rejoindre 5,0 dans le domaine où le modèle s'applique.

Méthode à retenir. Comparer les deux nombres avant de choisir le sens spontané initial.

Question 4

Un quotient trop grand

La même transformation A+B ⇌ C est étudiée dans un autre mélange : Q_r,i=12 et K=3,0. Les deux sens sont chimiquement accessibles. Que prévoit le critère ?

Le signe de la variation initiale de x est négatif si x compte le sens direct. La valeur de K devient 12 dès que la composition change. La concentration de C tend initialement à diminuer. Le système est déjà à l'équilibre puisqu'un quotient est calculable. Le système évolue initialement vers les réactifs A et B.

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Réponse attendue : A, C, E

A — Vrai. Vrai. Une réaction inverse correspond à une diminution de l'avancement défini positivement pour A+B ⟶ C.
B — Faux. Faux. À température fixée, K reste la constante du modèle ; c'est Q_r qui évolue avec la composition.
C — Vrai. Vrai. L'évolution inverse consomme C pour reformer A et B, sous le bilan écrit dans l'énoncé.
D — Faux. Faux. Tout mélange admissible possède un quotient ; l'équilibre exige l'égalité Q_r=K.
E — Vrai. Vrai. Q_r,i est supérieur à K ; l'évolution inverse diminue le quotient vers sa valeur d'équilibre.

Méthode à retenir. Définir le sens direct puis lire l'inégalité Q_r,i versus K.

Question 5

Lecture d'un équilibre

Une transformation réversible en solution atteint un état stable à température fixée ; les concentrations mesurées y sont toutes non nulles et donnent Q_r,f=8,0. On donne K=8,0. Que signifie cette égalité ?

Aucun réactif ne subsiste puisque la transformation est achevée. La stabilité des concentrations prouve que toutes les molécules sont immobiles. Les réactions directes et inverses peuvent continuer à l'échelle microscopique. La valeur K est une vitesse de réaction en s⁻¹. Le quotient satisfait le critère d'équilibre dans le modèle utilisé.

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Réponse attendue : C, E

A — Faux. Faux. L'énoncé précise des concentrations finales non nulles ; l'équilibre ne signifie pas épuisement des réactifs.
B — Faux. Faux. Une concentration constante est un résultat macroscopique, compatible avec des réactions microscopiques opposées.
C — Vrai. Vrai. Un équilibre dynamique peut garder des échanges opposés de même rythme tout en maintenant une composition stable.
D — Faux. Faux. K compare des activités à l'équilibre ; elle est sans dimension et n'est pas une constante de vitesse.
E — Vrai. Vrai. La composition mesurée donne exactement Q_r,f=K à la température annoncée, condition du modèle d'équilibre.

Méthode à retenir. Distinguer composition stable et absence totale d'événements microscopiques.

Question 6

Couples cuivre et zinc

Une lame de zinc plongée dans Cu²⁺(aq) se couvre de cuivre. Le bilan proposé est Zn(s)+Cu²⁺(aq) ⟶ Zn²⁺(aq)+Cu(s). Quel transfert décrit ce dépôt ?

Les électrons libres doivent apparaître dans le bilan global de la transformation. Cu²⁺ est réduit en Cu en captant deux électrons. Zn(s) est le réducteur du couple Zn²⁺/Zn. Zn est oxydé en Zn²⁺ en cédant deux électrons. Cu²⁺ est le réducteur parce qu'il gagne des électrons.

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Réponse attendue : B, C, D

A — Faux. Faux. Les deux électrons cédés par Zn sont captés par Cu²⁺ ; ils s'annulent dans le bilan global.
B — Vrai. Vrai. La demi-équation Cu²⁺+2 e⁻ ⟶ Cu correspond au dépôt métallique observé.
C — Vrai. Vrai. L'espèce qui donne des électrons est appelée réducteur ; le zinc métallique remplit ce rôle ici.
D — Vrai. Vrai. La demi-équation Zn ⟶ Zn²⁺+2 e⁻ montre une perte de deux électrons.
E — Faux. Faux. Gagner des électrons définit une réduction ; Cu²⁺ est l'oxydant du couple Cu²⁺/Cu.

Méthode à retenir. Écrire les deux demi-équations avant d'attribuer oxydant et réducteur.

Question 7

Équilibrer un dépôt d'argent

On place Cu(s) dans une solution de Ag⁺. On observe de l'argent métallique et des ions Cu²⁺. Quelle équation conserve à la fois la matière et la charge ?

Cu²⁺(aq)+2 Ag(s) ⟶ Cu(s)+2 Ag⁺(aq) décrit le sens du dépôt observé. Cu(s)+2 Ag⁺(aq) ⟶ Cu²⁺(aq)+2 Ag(s). 2 Cu(s)+Ag⁺(aq) ⟶ 2 Cu²⁺(aq)+Ag(s). Cu(s)+Ag⁺(aq) ⟶ Cu²⁺(aq)+Ag(s). Cu(s)+2 Ag(s) ⟶ Cu²⁺(aq)+2 Ag⁺(aq) est équilibrée en charge.

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Réponse attendue : B

A — Faux. Faux. Cette équation est le sens inverse ; elle consommerait l'argent métallique au lieu de le déposer.
B — Vrai. Vrai. Cu cède deux électrons alors que chaque Ag⁺ en capte un ; il faut deux ions argent.
C — Faux. Faux. La charge passe de +1 à +4 et le transfert électronique serait incompatible avec une seule réduction Ag⁺.
D — Faux. Faux. Les atomes sont comptés, mais la charge passe de +1 à +2 ; un second Ag⁺ manque.
E — Faux. Faux. La charge initiale est nulle et la charge finale vaut +4 ; le bilan viole la conservation.

Méthode à retenir. Accorder les électrons cédés par Cu avec ceux captés par les ions argent.

Question 8

Identifier les électrodes d'une pile

Une pile Zn/Zn²⁺ et Cu²⁺/Cu débite dans un circuit extérieur. La réaction constatée est Zn+Cu²⁺ ⟶ Zn²⁺+Cu. Quels rôles en découlent ?

L'électrode de zinc est l'anode, siège de l'oxydation. Les électrons circulent dans le fil du zinc vers le cuivre. Les électrons traversent principalement le pont salin. L'électrode de cuivre est la cathode, siège de la réduction. La cathode de cette pile qui débite est nécessairement négative.

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Réponse attendue : A, B, D

A — Vrai. Vrai. Le zinc métallique cède des électrons ; en fonctionnement générateur, l'anode de cette pile est négative.
B — Vrai. Vrai. Ils quittent l'anode où Zn s'oxyde et rejoignent la cathode où Cu²⁺ se réduit.
C — Faux. Faux. Le fil métallique transporte les électrons ; le pont salin laisse circuler des ions pour maintenir l'électroneutralité.
D — Vrai. Vrai. Cu²⁺ capte les électrons arrivés à l'électrode et forme du cuivre métallique.
E — Faux. Faux. Dans une pile génératrice, le cuivre cathodique constitue la borne positive du circuit extérieur.

Méthode à retenir. Nommer anode par l'oxydation, puis déduire le trajet des électrons.

Question 9

Pourquoi un pont salin ?

Dans la pile précédente, les demi-piles sont reliées par un pont salin contenant des ions spectateurs. On retire le pont tandis que le fil reste branché. Quel rôle manquant explique l'arrêt rapide du courant ?

Le pont sert seulement à augmenter la masse de cuivre disponible. Le pont impose une tension nulle dès qu'il est installé. Le pont permet une circulation ionique maintenant approximativement l'électroneutralité. Le retrait modifie le bilan d'oxydoréduction Zn/Cu²⁺. Le pont fournit la majorité des électrons au fil extérieur.

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Réponse attendue : C

A — Faux. Faux. Des ions spectateurs du pont ne créent pas du cuivre métallique ; ils compensent les charges en solution.
B — Faux. Faux. Un pont salin adapté permet au contraire à la pile de débiter en préservant les charges des compartiments.
C — Vrai. Vrai. Sans transport ionique, des charges s'accumulent dans les demi-piles et contrarient rapidement le transfert.
D — Faux. Faux. Les demi-équations chimiques restent les mêmes, même si le fonctionnement durable devient impossible.
E — Faux. Faux. Les électrons proviennent de l'oxydation du zinc ; les porteurs dans le pont sont des ions.

Méthode à retenir. Distinguer le chemin électronique extérieur du chemin ionique intérieur.

Question 10

Mesurer une tension à vide

Un voltmètre de grande résistance est connecté aux bornes d'une pile non reliée à un autre récepteur. Il affiche 1,05 V ; son courant est négligeable. Quelle lecture est permise ?

La valeur affichée est une tension proche de la tension à vide dans ce montage. La tension resterait forcément 1,05 V sous n'importe quelle charge. La pile débite nécessairement 1,05 A parce que l'écran affiche 1,05. La mesure seule détermine la capacité totale en coulombs. Le voltmètre consomme exactement zéro énergie pendant toute mesure réelle.

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Réponse attendue : A

A — Vrai. Vrai. La résistance du voltmètre rend le courant presque nul ; on approche ainsi la tension sans débit significatif.
B — Faux. Faux. En débit, la tension peut différer de la tension à vide à cause des résistances et de l'évolution chimique.
C — Faux. Faux. L'unité lue est le volt, pas l'ampère ; aucun courant important n'est annoncé.
D — Faux. Faux. Une tension instantanée n'indique ni les quantités de réactifs disponibles ni la charge totale extractible.
E — Faux. Faux. Le courant est décrit négligeable, pas strictement nul ; une mesure réelle peut consommer une très faible énergie.

Méthode à retenir. Distinguer tension, courant et charge totale disponible.

Question 11

Charge délivrée

Une pile délivre un courant pratiquement constant I=0,20 A pendant 30 min. On néglige les pertes de mesure. Quelle charge a traversé le circuit extérieur ?

La charge vaut 6,0 C. La charge vaut 360 C. La quantité d'électrons transférés vaut environ 3,73 mmol si F=96 500 C·mol⁻¹. La pile a fourni 360 J car un coulomb égale un joule. La durée doit être convertie en 1800 s pour obtenir des coulombs avec des ampères.

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Réponse attendue : B, C, E

A — Faux. Faux. Le produit 0,20×30=6,0 ignore que les 30 sont des minutes, non des secondes.
B — Vrai. Vrai. Après conversion 30 min=1800 s, la relation Q=IΔt donne 0,20×1800=360 C.
C — Vrai. Vrai. Le quotient 360/96 500=3,73 × 10⁻³ mol d'électrons, soit 3,73 mmol.
D — Faux. Faux. La charge s'exprime en coulombs ; calculer une énergie exigerait aussi une tension et son éventuelle variation.
E — Vrai. Vrai. Un ampère vaut un coulomb par seconde ; utiliser 30 sans conversion donnerait une charge soixante fois trop faible.

Méthode à retenir. Convertir le temps, puis utiliser Q=IΔt et n(e⁻)=Q/F.

Question 12

Capacité théorique d'une pile

Dans une pile Zn/Cu²⁺, il reste au départ 0,010 mol de Zn et 0,030 mol de Cu²⁺. Chaque Zn oxydé libère deux électrons. On suppose ces réactifs totalement accessibles et F=96 500 C·mol⁻¹. Quelle charge maximale théorique donne ce bilan ?

La charge en coulombs est numériquement égale à la quantité de Cu déposée en moles. Cu²⁺ est limitant car 0,030 est le plus grand nombre. Q_max=1930 C. La capacité réelle ne peut être déduite exactement de ce seul bilan idéal. La charge maximale théorique est 965 C.

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Réponse attendue : C, D

A — Faux. Faux. Le transfert nécessite deux moles d'électrons par mole de Cu ; il faut appliquer Faraday pour obtenir des coulombs.
B — Faux. Faux. À coefficients unitaires, la plus petite quantité initiale, celle du zinc, borne l'avancement.
C — Vrai. Vrai. Zn limite la réaction à 0,010 mol ; n(e⁻)=2×0,010=0,020 mol, donc Q=0,020×96 500=1930 C.
D — Vrai. Vrai. Le calcul suppose un accès total aux réactifs ; pertes et conditions de décharge peuvent réduire la charge effectivement utilisable.
E — Faux. Faux. Cette valeur ne compte qu'une mole d'électrons par mole de Zn ; l'oxydation Zn ⟶ Zn²⁺ en libère deux.

Méthode à retenir. Identifier le réactif limitant puis convertir deux électrons par avancement en coulombs.

Question 13

Interpréter les signes

Une pile inconnue possède une électrode M et une électrode N. Sous charge, on observe une perte de masse de M et un dépôt métallique sur N ; les électrons sont détectés dans le fil allant de M vers N. Quelles attributions sont cohérentes, si les métaux ne réagissent pas avec le solvant ?

M est le siège d'une oxydation du métal en ions. M est l'anode de cette pile en débit. N est le siège d'une réduction d'ions métalliques. N est l'anode parce que sa masse augmente. Les signes observés suffisent à calculer la tension à vide en volts.

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Réponse attendue : A, B, C

A — Vrai. Vrai. La perte de masse et le départ d'électrons correspondent à M(s) ⟶ M^z++z e⁻.
B — Vrai. Vrai. L'anode est par définition l'électrode d'oxydation, ici identifiée par le métal qui se dissout.
C — Vrai. Vrai. Le dépôt solide résulte de la capture d'électrons par des ions arrivant à l'électrode N.
D — Faux. Faux. La prise de masse traduit un dépôt réducteur ; N est ici la cathode de la pile.
E — Faux. Faux. Ils indiquent le sens des transferts, mais aucune donnée énergétique ou tension chiffrée n'est fournie.

Méthode à retenir. Recouper variation de masse et sens des électrons avant de nommer les électrodes.

Question 14

Pile arrivée à un état stable

Après plusieurs heures de débit, une pile voit son courant devenir pratiquement nul. L'analyse trouve encore du métal et des ions dans les deux compartiments. Quelle interprétation est justifiée par ces seules données ?

L'arrêt du courant ne prouve pas l'épuisement de toutes les espèces. Une composition proche d'un état d'équilibre peut limiter la force d'évolution. La masse restante du métal suffit à calculer la charge déjà débitée. Le courant nul démontre numériquement Q_r=K sans calcul de composition. Une difficulté de transport ionique peut aussi réduire le courant observé.

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Réponse attendue : A, B, E

A — Vrai. Vrai. Les analyses montrent explicitement qu'il reste du métal et des ions après le fonctionnement.
B — Vrai. Vrai. Lorsque le quotient rejoint la valeur d'équilibre, la tendance chimique à débiter diminue dans le modèle.
C — Faux. Faux. Il manque au moins la masse initiale, le métal exact et son nombre d'électrons par atome oxydé.
D — Faux. Faux. Il faudrait mesurer les activités et comparer le quotient à K ; un obstacle de circuit peut aussi intervenir.
E — Vrai. Vrai. Un pont salin ou un milieu peu conducteur peut bloquer le circuit même si une évolution chimique reste possible.

Méthode à retenir. Séparer l'état chimique de la possibilité pratique de faire circuler les charges.

Question 15

Quotient d'une réaction solide-solution

Pour Zn(s)+Cu²⁺(aq) ⇌ Zn²⁺(aq)+Cu(s), on adopte l'approximation des solutions diluées et c°=1 mol·L⁻¹. À un instant, [Zn²⁺]=0,030 mol·L⁻¹ et [Cu²⁺]=0,010 mol·L⁻¹. Quel quotient est cohérent ?

Il faut ajouter la masse de zinc solide au numérateur. Q_r≈3,0. Le quotient porte l'unité mol·L⁻¹. Une comparaison avec K est encore nécessaire pour prévoir le sens d'évolution. Q_r≈0,33 parce que Cu²⁺ est réactif.

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Réponse attendue : B, D

A — Faux. Faux. L'activité d'un solide pur est prise égale à un dans ce modèle, indépendamment de sa masse tant qu'il subsiste.
B — Vrai. Vrai. Les solides purs ont une activité égale à un ; le quotient des concentrations normalisées vaut 0,030/0,010=3,0.
C — Faux. Faux. Le rapport de deux concentrations normalisées par la même c° est sans dimension.
D — Vrai. Vrai. La valeur 3,0 du quotient n'indique pas seule si le système évolue directement ou en sens inverse.
E — Faux. Faux. Pour le bilan direct écrit, Zn²⁺ est produit au numérateur et Cu²⁺ réactif au dénominateur.

Méthode à retenir. Écarter les solides purs de l'expression et normaliser les concentrations dissoutes.

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