Chap.5 Etat d’équilibre d’un système

 

Introduction

 

Lors des T.P.3 et T.P.4, on a observé expérimentalement que :

. . . . - l'avancement final d'une transformation peut être différent de l'avancement maximal ;

. . . . - le taux d'avancement final de la transformation est alors différent de 1 du fait de la présence de réactions s'effectuant en sens contraires ;

. . . . - en conséquence, le système chimique concerné est dans un état d'équilibre.

Dans ce chapitre, on va exprimer la constante d'équilibre caractérisant le système chimique étudié.

 

1. Définition : Quotient de réaction

 

Soit une transformation chimique non totale d’équation : . . . . a A + b B = c C + d D

. . . . où . .A, B, C et D . .sont des espèces chimiques ;

. . . . et . .a, b, c et d . .sont des nombres stœchiométriques.

Pour cette transformation chimique, on définit le quotient de réaction Q_r tel que :

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Q_r = `([C]^c * [D]^d)/([A]^a * [B]^b)`

 

2. Remarques

 

Les concentrations [X] exprimées en mol.L^-1, sont définies à une température et une pression données.

Le quotient de réaction Q_r est un nombre sans unité.

Dans l’expression du quotient de réaction Q_r , on ne tient compte que des espèces en solution.

En conséquence, si une des espèces chimiques (A, B, C et D) est un solide, sa concentration [X] n'étant pas définie, elle est remplacée par le nombre 1 dans l'expression de Q_r.

De même, si une des espèces chimiques (A, B, C et D) est le solvant, sa concentration [X] est remplacée par le nombre 1 dans l'expression de Q_r.

 

3. Exemples

 

3.a. Au début du T.P.4, on a étudié la réaction de l'acide éthanoïque avec l'eau :

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CH₃COOH_(aq) + H₂O_(l) = CH₃COO^-_(aq) + H₃O⁺_(aq)

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Le quotient de réaction Q_r associé à cette transformation chimique, est :

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Q_r = `([CH_3COO^-] * [H_3O^+])/([CH_3COOH])`

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. . . . car l'eau est le solvant pour cette transformation.

 

3.b. A la fin du T.P.4, on a étudié la réaction de l'acide méthanoïque avec les ions éthanoate :

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HCOOH_(aq) + CH₃COO^-_(aq) = HCOO^-_(aq) + CH₃COOH_(aq)

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Le quotient de réaction Q_r associé à cette transformation chimique, est :

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Q_r = `([HCOO^-] * [CH_3COOH])/([HCOOH] * [CH_3COO^-])`

 

D'autres exemples sont donnés dans l'exercice 5A.

 

4. Quotient de réaction initial

 

Lors du T.P.4 ou lors d'un exercice, on peut étudier le système chimique dans son état initial (au moment où le système est constitué, mais avant toute transformation), le quotient de réaction initial ( noté Q_r,i ) est alors :

 

Q_r,i = `([C]{::}_(i)^c * [D]{::}_(i)^d)/([A]{::}_(i)^a * [B]{::}_(i)^b)`

 

 

5. Constante d'équilibre

 

Lorsque le système chimique est dans son état d’équilibre, le quotient de réaction ( noté Q_r,éq ) est une constante K.

 

K = Q_r,éq = `([C]{::}_(éq)^c * [D]{::}_(éq)^d)/([A]{::}_(éq)^a * [B]{::}_(éq)^b)`

 

. . . . Remarques : . .La constante d'équilibre :

. . . . . . - est indépendante de la valeur du quotient de réaction initial ( noté Q_r,i ) ;

. . . . . . - est indépendante des conditions initiales (c'est-à-dire des quantités initiales des espèces A, B, C ou D) ;

. . . . . . - mais elle dépend de la température et de la pression de l'ensemble du système et de la transformation étudiée.