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📔 Suivi de l'évolution d'un système

Suivi de l'évolution d'un système - cinétique chimique

Suivi de l'évolution d'un système

Constitution et transformations de la matière - Étude cinétique détaillée

🧪 Expérience virtuelle
200mL 150mL 100mL T = 25°C
📋 Étape actuelle
En attente du démarrage de la réaction...
📊 Suivi temporel
5 min 10 min 15 min 20 min 0.75 0.5 0.25 Temps (min) Concentration (mol/L) Réactif A Produit C
Temps écoulé
0.0 min
Concentration A
1.00 mol/L
Concentration C
0.00 mol/L
Vitesse de réaction instantanée
0.000 mol/L/min
🔬 Analyse détaillée des résultats
⚡ Phase initiale (0-2 min)

Concentration maximale des réactifs
Système hors équilibre
Vitesse de réaction élevée
• Collisions fréquentes entre molécules
• Température peut augmenter (exothermique)

v₀ = k[A]₀[B]₀ (vitesse initiale maximale)
📈 Phase intermédiaire (2-15 min)

Diminution progressive des réactifs
Cinétique d'ordre 1 dominante
Formation croissante des produits
• Ralentissement progressif de la vitesse
• Établissement graduel de l'équilibre

\([A] = [A]₀ \cdot e^{-kt}\) (décroissance exponentielle)
⚖️ Équilibre (15-20 min)

Concentrations stables
Vitesses directe et inverse égales
État d'équilibre dynamique
• Réaction continue mais nette nulle
• Constante d'équilibre définie

\(K_e = \frac{[C][D]}{[A][B]}\) (constante d'équilibre)
Équation de la réaction étudiée
A + B ⇌ C + D
ΔH = -45 kJ/mol (exothermique)

Réaction bimoléculaire réversible avec formation d'un équilibre chimique

Paramètres cinétiques
Constante de vitesse
k = 0.15 min⁻¹
Temps de demi-vie
t₁/₂ = 4.6 min
Énergie d'activation
Eₐ = 65 kJ/mol
Constante d'équilibre
Kₑ = 12.5
Memento - Suivi de l'évolution d'un système

Constitution et transformations de la matière • Première spécialité PC

1 Définitions fondamentales
Système chimique

Ensemble d'espèces chimiques susceptibles de réagir entre elles.

État initial

État du système avant toute transformation.

État final

État du système lorsque l'évolution s'arrête.

État d'équilibre

État dans lequel les compositions ne varient plus macroscopiquement.

2 Tableau d'avancement

Pour une réaction : \(aA + bB → cC + dD\)

État du système Avancement (mol) A B C D
Initial 0 \(n_{A,0}\) \(n_{B,0}\) \(n_{C,0}\) \(n_{D,0}\)
Intermédiaire \(x\) \(n_{A,0} - ax\) \(n_{B,0} - bx\) \(n_{C,0} + cx\) \(n_{D,0} + dx\)
Final \(x_f\) \(n_{A,0} - ax_f\) \(n_{B,0} - bx_f\) \(n_{C,0} + cx_f\) \(n_{D,0} + dx_f\)
3 Avancement maximal et réactif limitant
Avancement maximal
\(x_{max} = \min\left(\frac{n_{A,0}}{a}, \frac{n_{B,0}}{b}\right)\)
Réactif limitant

Réactif qui impose l'arrêt de la réaction car il est entièrement consommé.

Réactif A Réactif B Produits Le réactif limitant détermine x_max
4 Taux d'avancement
Formule : \(\tau = \frac{x_f}{x_{max}}\)
Interprétation
τ = 1
Transformation totale
τ < 1
Transformation limitée
τ
Sans unité ou en %
0 0.5 1 τ Transformation limitée Totale
5 Évolution temporelle d'un système
Cinétique chimique

Étude de la vitesse des réactions chimiques.

Vitesse de réaction
\(v = \frac{dx}{dt}\) (mol·s⁻¹)
Vitesse volumique
\(v_{vol} = \frac{1}{V} \frac{dx}{dt}\) (mol·L⁻¹·s⁻¹)
temps (s) x (mol) x = 0 x_f v = dx/dt
6 Facteurs cinétiques
🌡️ Température

Une augmentation de température accélère généralement la réaction.

⚗️ Concentration

Plus la concentration des réactifs est élevée, plus la vitesse est importante.

⚡ Catalyseur

Substance qui accélère une réaction sans être consommée.

📐 Surface de contact

Plus elle est importante, plus la réaction est rapide (pour les solides).

Coordonnée de réaction Énergie Sans catalyseur Avec catalyseur Réactifs Produits
7 Méthodes expérimentales de suivi
🧪 Titrage

Détermination de la concentration d'une espèce par réaction avec un réactif titrant.

🌈 Spectrophotométrie

Mesure de l'absorbance

\(A = \varepsilon \ell c\)
⚡ Conductimétrie

Mesure de la conductivité électrique de la solution.

📊 pH-métrie

Mesure du pH pour suivre les réactions acido-basiques.

🌡️ Manométrie

Mesure de la pression pour les réactions dégageant des gaz.

8 Méthode générale de résolution
🎯 Étapes à suivre
1 Écrire l'équation

Équation de la réaction équilibrée

2 Dresser le tableau

Tableau d'avancement complet

3 Identifier les quantités

Quantités de matière initiales

4 Déterminer le limitant

Réactif limitant et x_max

5 Calculer l'état final

État final et taux d'avancement

6 Exploiter les données

Données expérimentales si nécessaire

⚡ Formules clés à retenir
Avancement maximal
\(x_{max} = \min\left(\frac{n_{i,0}}{|\nu_i|}\right)\)
Taux d'avancement
\(\tau = \frac{x_f}{x_{max}}\)
Vitesse de réaction
\(v = \frac{dx}{dt}\)
Vitesse volumique
\(v_{vol} = \frac{1}{V} \frac{dx}{dt}\)
Exercice 6: Croissance bactérienne (★ ★ ★ ☆ ☆)

Une population bactérienne suit la loi \( N(t) = 1000e^{0.02t} \) où t est en heures.
1. Calculer le taux de croissance instantané à t = 10h
2. Déterminer quand la population croît à un taux de 50 bactéries/heure

  1. Dérivée : \( N'(t) = 1000×0.02e^{0.02t} = 20e^{0.02t} \) \[ N'(10) = 20e^{0.2} ≈ 24.43 \text{ bact/h} \]
  2. Résoudre \( 20e^{0.02t} = 50 \) \[ e^{0.02t} = 2.5 ⇒ t = \frac{\ln(2.5)}{0.02} ≈ 45.81 \text{ h} \]


Exercice 7: Trajectoire de projectile (★ ★ ★ ★ ☆)

La hauteur d'un projectile est \( h(t) = -5t^2 + 40t + 1.5 \) (mètres).
1. Trouver le temps pour atteindre la hauteur maximale
2. Calculer la vitesse instantanée à t = 3s

  1. Dérivée : \( h'(t) = -10t + 40 \) Maximum quand \( h'(t) = 0 \): \[ -10t + 40 = 0 ⇒ t = 4 \text{ s} \]
  2. Vitesse à t=3s : \[ h'(3) = -10×3 + 40 = 10 \text{ m/s} \]


Exercice 8: Économie - Coût marginal (★ ★ ★ ★ ☆)

Le coût de production est \( C(q) = 0.1q^3 - 2q^2 + 15q + 100 \) (q en unités).
1. Calculer le coût marginal \( C'(q) \)
2. Déterminer la quantité minimisant le coût marginal

  1. Coût marginal : \[ C'(q) = 0.3q^2 - 4q + 15 \]
  2. Minimum de \( C' \) : \[ C''(q) = 0.6q - 4 = 0 ⇒ q = \frac{4}{0.6} ≈ 6.67 \text{ unités} \]


Exercice 9: Médecine - Diffusion médicamenteuse (★ ★ ★ ★ ★)

La concentration sanguine d'un médicament suit \( C(t) = \frac{50t}{t^2 + 4} \) (mg/L).
1. Trouver le pic de concentration
2. Déterminer quand la concentration décroît à un taux de 2 mg/L par heure

  1. Dérivée : \( C'(t) = \frac{50(t^2+4) - 50t(2t)}{(t^2+4)^2} = \frac{-50t^2 + 200}{(t^2+4)^2} \) Maximum quand \( C'(t) = 0 \): \[ -50t^2 + 200 = 0 ⇒ t = 2 \text{ h} \] \[ C(2) = \frac{100}{8} = 12.5 \text{ mg/L} \]
  2. Résoudre \( C'(t) = -2 \): \[ \frac{-50t^2 + 200}{(t^2+4)^2} = -2 ⇒ t ≈ 3.07 \text{ h} \]


Exercice 10: Physique - Refroidissement (★ ★ ★ ★ ★)

Un objet refroidit selon \( T(t) = 20 + 80e^{-0.1t} \) (°C).
1. Calculer le taux de refroidissement à t = 5 min
2. Déterminer quand le taux vaut -2°C/min

  1. Dérivée : \( T'(t) = 80×(-0.1)e^{-0.1t} = -8e^{-0.1t} \) \[ T'(5) = -8e^{-0.5} ≈ -4.85 \text{ °C/min} \]
  2. Résoudre \( -8e^{-0.1t} = -2 \) \[ e^{-0.1t} = 0.25 ⇒ t = \frac{\ln(0.25)}{-0.1} ≈ 13.86 \text{ min} \]


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