QCM : Potentiels chimiques et changements d’état (11 questions)

Question 1

1. À température constante, un mélange réactionnel a un quotient réactionnel initial inférieur à la constante d’équilibre. Vers quelle valeur son quotient réactionnel évolue-t-il spontanément ?

Vers la constante d’équilibre K°(T)

Vers une valeur qui s’éloigne de K°(T)

Vers la constante de vitesse de la réaction

Vers sa valeur initiale, qui reste inchangée

Explication

Au cours d’une réaction chimique, le quotient réactionnel évolue spontanément vers K°(T). Le maintien de sa valeur initiale confond état initial et évolution, l’éloignement inverse le sens de l’évolution et la constante de vitesse n’est pas la cible de Qr.

Answer

Vers la constante d’équilibre K°(T)

Question 2

2. Quelle relation le quotient réactionnel vérifie-t-il à l’équilibre chimique ?

Qr,eq = K°(T)

Qr,eq = 1/K°(T)

Qr,eq = K° à une autre température

Qr,eq = k(T), la constante de vitesse

Explication

À l’équilibre chimique, la loi de Guldberg et Waage donne Qr,eq = K°(T). L’inverse de la constante, la constante de vitesse et une constante prise à une autre température ne correspondent pas à cette relation.

Answer

Qr,eq = K°(T)

Question 3

3. Un système fermé subit une évolution spontanée isotherme et isobare avec une entropie créée positive. Quel est le signe de la variation de son enthalpie libre ?

Elle est négative

Elle est nulle

Elle est positive

Son signe dépend du volume seul

Explication

Dans ces conditions, $dG=-T\,dS_{créée}\leq 0$ : une entropie créée positive entraîne une diminution de G. Une variation nulle correspondrait à l’absence d’entropie créée, tandis qu’une augmentation inverse le signe de la relation.

Answer

Elle est négative

Question 4

4. Pour décrire l’enthalpie libre d’un système dont on connaît l’enthalpie H, la température T et l’entropie S, quelle expression faut-il utiliser ?

G=H-TS

G=U-TS

G=H

G=H+TS

Explication

L’enthalpie libre est définie par $G=H-TS$ , équivalemment $G=U+PV-TS$ . L’expression $G=H$ omet la contribution entropique, le signe plus l’inverse et $U-TS$ oublie la contribution PV contenue dans H.

Answer

$$G=H-TS$$

Question 5

5. Quelles sont les variables naturelles de l’enthalpie H dans la deuxième identité thermodynamique ?

L’entropie S et le volume V

La température T et le volume V

L’entropie S et la pression P

La température T et la pression P

Explication

La deuxième identité s’écrit $dH=T\,dS+V\,dP$ , ce qui montre que H dépend naturellement de S et de P. Le couple S et V est celui des variables naturelles de l’énergie interne U.

Answer

L’entropie S et la pression P

Question 6

6. Lorsqu’on ajoute une différentielle de composition à l’expression de l’enthalpie libre, quel coefficient accompagne la variation de la quantité de matière du constituant i ?

La fraction molaire du constituant i

L’entropie molaire partielle du constituant i

Le potentiel chimique μᵢ du constituant i

Le volume molaire partiel du constituant i

Explication

Dans la différentielle de G pour une composition variable, le terme associé à $dn_i$ est $\mu_i\,dn_i$ . Le volume molaire partiel intervient dans la variation de pression, et non comme coefficient de variation de la quantité de matière.

Answer

Le potentiel chimique μᵢ du constituant i

Question 7

7. Lorsqu’un constituant se transfère entre deux phases à température et pression constantes, quel rôle joue la différence de leurs potentiels chimiques dans l’évolution du système ?

Elle mesure la variation de pression causée par le transfert entre les phases.

Elle fixe la quantité totale de matière présente dans les deux phases à l’équilibre.

Elle détermine le sens spontané du transfert et s’annule à l’équilibre entre les phases.

Elle détermine la température à laquelle les deux phases peuvent coexister.

Explication

La différence entre les potentiels chimiques gouverne la variation d’enthalpie libre associée au transfert, et l’équilibre est atteint lorsqu’ils sont égaux. La quantité totale de matière n’est pas déterminée par cette différence, car le transfert redistribue la matière entre phases.

Answer

Elle détermine le sens spontané du transfert et s’annule à l’équilibre entre les phases.

Question 8

8. Quelle distinction caractérise le potentiel chimique d’un corps pur homogène par rapport à celui d’un corps pur gazeux parfait ?

Pour tout corps pur homogène, il est égal à l’énergie interne molaire ; pour un gaz parfait, il dépend aussi de la température selon une loi linéaire.

Pour tout corps pur homogène, il est égal à l’enthalpie molaire ; pour un gaz parfait, il dépend aussi du volume selon une loi logarithmique.

Pour tout corps pur homogène, il est égal à l’enthalpie libre molaire ; pour un gaz parfait, il dépend aussi de la pression selon une loi logarithmique.

Pour tout corps pur homogène, il est égal à l’entropie molaire ; pour un gaz parfait, il dépend aussi de la pression selon une loi linéaire.

Explication

Le potentiel chimique d’un corps pur homogène correspond à son enthalpie libre molaire, et, pour un gaz parfait, sa dépendance à la pression comporte un terme logarithmique. La dépendance linéaire à la pression concerne plutôt le modèle des phases condensées incompressibles.

Answer

Pour tout corps pur homogène, il est égal à l’enthalpie libre molaire ; pour un gaz parfait, il dépend aussi de la pression selon une loi logarithmique.

Question 9

9. Dans le modèle d’une phase condensée incompressible, quel effet la constance du volume molaire a-t-elle sur la dépendance du potentiel chimique à la pression ?

Elle annule cette dépendance, quelle que soit la variation de pression.

Elle la rend quadratique, avec une pente qui croît avec la pression.

Elle rend cette dépendance linéaire, avec une pente égale au volume molaire.

Elle rend cette dépendance logarithmique, comme pour un gaz parfait.

Explication

Le volume molaire étant supposé constant, la variation du potentiel chimique avec la pression prend la forme d’une correction linéaire. Une dépendance logarithmique caractérise plutôt le potentiel chimique d’un gaz parfait.

Answer

Elle rend cette dépendance linéaire, avec une pente égale au volume molaire.

Question 10

10. Pour estimer le potentiel chimique d’un gaz i dans un mélange idéal, vous connaissez sa fraction molaire et la pression totale : quelle grandeur utilisez-vous comme activité dans l’expression du potentiel chimique ?

L’inverse de la fraction molaire du constituant dans le gaz

La fraction molaire du solvant dans la phase liquide

Le rapport entre sa concentration molaire et la concentration standard

Le rapport entre sa pression partielle et la pression standard

Explication

Pour un constituant gazeux, l’activité est le rapport de sa pression partielle à la pression standard, et la pression partielle se déduit de la fraction molaire et de la pression totale. La fraction molaire seule s’applique comme activité dans un mélange idéal liquide ou solide, pas dans le cas gazeux.

Answer

Le rapport entre sa pression partielle et la pression standard

Question 11

11. Quelles caractéristiques décrivent l’évolution spontanée de la réaction de Boudouard à température et pression constantes ?

L’enthalpie libre croît jusqu’à l’équilibre chimique, atteint pour un avancement égal à l’avancement limite.

L’enthalpie libre décroît jusqu’à l’avancement limite, qui correspond nécessairement à l’équilibre chimique.

L’enthalpie libre reste constante pendant la réaction, puis varie lorsque l’équilibre chimique est atteint.

L’enthalpie libre décroît jusqu’à l’équilibre chimique, atteint pour un avancement inférieur à l’avancement limite.

Explication

À température et pression constantes, l’évolution spontanée se poursuit dans le sens de décroissance de l’enthalpie libre jusqu’à l’équilibre, dont l’avancement est inférieur à l’avancement limite. L’avancement limite marque une contrainte de composition, mais ne désigne pas l’état d’équilibre chimique.

Answer

L’enthalpie libre décroît jusqu’à l’équilibre chimique, atteint pour un avancement inférieur à l’avancement limite.

QCM : Potentiels chimiques et changements d’état (11 questions)

Questions et réponses du QCM

1. À température constante, un mélange réactionnel a un quotient réactionnel initial inférieur à la constante d’équilibre. Vers quelle valeur son quotient réactionnel évolue-t-il spontanément ?

2. Quelle relation le quotient réactionnel vérifie-t-il à l’équilibre chimique ?

3. Un système fermé subit une évolution spontanée isotherme et isobare avec une entropie créée positive. Quel est le signe de la variation de son enthalpie libre ?

4. Pour décrire l’enthalpie libre d’un système dont on connaît l’enthalpie H, la température T et l’entropie S, quelle expression faut-il utiliser ?

5. Quelles sont les variables naturelles de l’enthalpie H dans la deuxième identité thermodynamique ?

6. Lorsqu’on ajoute une différentielle de composition à l’expression de l’enthalpie libre, quel coefficient accompagne la variation de la quantité de matière du constituant i ?

7. Lorsqu’un constituant se transfère entre deux phases à température et pression constantes, quel rôle joue la différence de leurs potentiels chimiques dans l’évolution du système ?

8. Quelle distinction caractérise le potentiel chimique d’un corps pur homogène par rapport à celui d’un corps pur gazeux parfait ?

9. Dans le modèle d’une phase condensée incompressible, quel effet la constance du volume molaire a-t-elle sur la dépendance du potentiel chimique à la pression ?

10. Pour estimer le potentiel chimique d’un gaz i dans un mélange idéal, vous connaissez sa fraction molaire et la pression totale : quelle grandeur utilisez-vous comme activité dans l’expression du potentiel chimique ?

11. Quelles caractéristiques décrivent l’évolution spontanée de la réaction de Boudouard à température et pression constantes ?

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