Transformations chimiques et équilibre
Cours · chimie : transformation de la matière (MPI), chapitre 1 · CPGE MPI (2e année) · le début du chapitre, la suite sur Adloun
La chimie décrit comment la matière se transforme. Verser un morceau de sucre dans l'eau, brûler du méthane, mélanger un acide et une base, faire réagir un alcool et un acide pour fabriquer un arôme : dans tous les cas, un ensemble d'espèces initiales évolue vers un nouvel état où les proportions ont changé. Ce chapitre pose le cadre qui permet de prévoir quantitativement cet état final à partir d'une modélisation par une seule réaction chimique. On y introduit tour à tour la description d'un système physico-chimique, l'avancement qui mesure le degré de transformation, l'activité de chaque espèce, le quotient de réaction , la constante d'équilibre , enfin le critère d'évolution qui, en comparant et , décide du sens d'évolution et de la composition finale. Toutes les grandeurs sont introduites au niveau macroscopique ; aucune notion de thermochimie (enthalpie ou entropie de réaction) n'est requise : la constante sera considérée comme une donnée expérimentale caractéristique de la réaction à une température fixée.
1.1 Décrire un système physico-chimique
1.1.1 Espèces, entités et état physique
Un système physico-chimique est un ensemble d'espèces chimiques, contenues dans une portion d'espace délimitée, dont on suit l'évolution. On le décrit en recensant :
- les espèces présentes, caractérisées par une formule brute et un état physique précisé entre parenthèses : solide (s), liquide (l), gaz (g), ou espèce en solution aqueuse (aq) ;
- la quantité de matière (en ) de chacune, ou la pression partielle pour un gaz, ou la concentration pour un soluté.
Une entité chimique est l'objet microscopique (atome, molécule, ion) dont l'espèce est constituée. Ainsi le chlorure de sodium en solution, , est présent sous forme des entités et ; l'eau liquide est constituée d'entités .
Dans une phase contenant moles, la fraction molaire du constituant est , avec . Dans un mélange de gaz parfaits sous la pression totale , la pression partielle du constituant est : c'est la pression qu'il exercerait s'il occupait seul le volume, et .
Une même formule brute peut désigner des espèces différentes selon l'état physique : (eau liquide) et (vapeur d'eau) sont deux espèces distinctes du système, avec des activités et des rôles différents.
1.1.2 Modéliser une transformation par une équation de réaction
Une transformation chimique est modélisée au niveau macroscopique par une équation de réaction qui relie réactifs et produits en respectant la conservation des éléments et de la charge. On l'écrit sous forme algébrique
où désigne l'espèce et son nombre stœchiométrique algébrique : pour un réactif (consommé), pour un produit (formé).
La combustion complète du méthane s'écrit
Les nombres stœchiométriques algébriques sont , , , . Chaque élément (, , ) est conservé.
Méthode : Équilibrer une équation
- Écrire réactifs et produits avec leurs formules brutes et leur état physique.
- Ajuster les coefficients pour conserver chaque élément chimique.
- Vérifier la conservation de la charge (indispensable en solution).
1.2 Avancement d'une réaction
1.2.1 Définition et tableau d'avancement
Au fur et à mesure de la transformation, les quantités de matière varient, mais pas n'importe comment : elles restent liées par la stœchiométrie. Une seule variable, l'avancement, suffit à décrire toute la composition.
L'avancement (en ) est la variable, croissante dans le sens direct, telle que la quantité de chaque espèce s'écrive
où est la quantité initiale. De façon équivalente, , c'est-à-dire
Méthode : Tableau d'avancement
On dresse un tableau à trois lignes (état initial, état en cours, état final) et une colonne par espèce :
| état initial | ||||
| en cours | ||||
| état final |
La composition finale ne dépend que de la valeur atteinte, à déterminer.
On mélange d'acide éthanoïque et d'éthanol :
| initial | ||||
| final |
Toute la composition est décrite par le seul paramètre .
1.2.2 Avancement maximal et taux d'avancement
L'avancement maximal est la plus grande valeur de compatible avec des quantités de matière positives ou nulles : il correspond à l'épuisement du réactif limitant. On le calcule en cherchant, pour chaque réactif, , puis
Le taux d'avancement final (ou taux de conversion) est le nombre sans dimension
Il mesure la fraction du chemin réactionnel effectivement parcourue.
- () : la transformation est totale, le réactif limitant a disparu. Pour une réaction qui a une constante d'équilibre, cela n'arrive que si une phase condensée pure disparaît (rupture d'équilibre, voir plus loin) : sinon il reste toujours un peu de chaque réactif.
- : la transformation est quasi totale ; c'est un équilibre, mais le reste du réactif limitant est négligeable.
- : la transformation aboutit à un équilibre chimique, où réactifs et produits coexistent en quantités comparables.
- : la transformation est très limitée, le système n'évolue quasiment pas.
On fait réagir de et de selon . On a et . Donc : le dihydrogène est limitant, et il reste de lorsque la réaction (totale) est achevée.
1.3 Activité d'une espèce chimique
Pour quantifier l'état d'un système, on associe à chaque espèce un nombre sans dimension, son activité, qui traduit sa « présence effective » dans le milieu, comparée à un état de référence appelé état standard.
L'activité d'une espèce est une grandeur sans dimension définie selon sa nature :
- gaz assimilé à un gaz parfait : , où est la pression partielle et la pression standard ;
- soluté en solution diluée : , où est la concentration et la concentration standard ;
- solide ou liquide seul dans sa phase (corps pur condensé) : ;
- solvant d'une solution diluée (l'eau le plus souvent) : .
Le programme de MPI ne définit l'activité que pour une espèce pure en phase condensée et pour un soluté très dilué. L'activité d'un gaz, , est employée ici comme un outil du cours, au-delà de la lettre du programme : elle est indispensable pour décrire l'électrode standard à hydrogène () et les systèmes hétérogènes où un gaz intervient, comme la décomposition du calcaire.
- L'activité d'un solide pur vaut quelle que soit la quantité présente : elle n'apparaît donc pas dans le quotient de réaction. Un métal plongé dans une solution de ses ions, ou le calcaire en équilibre avec le dioxyde de carbone, en sont les meilleurs exemples. Mais elle n'est définie que si le solide est présent : s'il disparaît, l'équilibre est rompu.
- L'eau, solvant, a une activité dans les réactions en solution aqueuse diluée : elle n'intervient pas dans . En revanche, l'eau réactif en phase gazeuse () a pour activité .
- Pour l'estérification en phase liquide sans solvant, aucune espèce n'est « solvant » : on utilise alors les activités exprimées avec les fractions molaires ou, en pratique au niveau visé, directement les quantités de matière (voir plus loin).
Pour la réaction :
1.4 Quotient de réaction
Le quotient de réaction associé à l'équation est le produit des activités élevées à leur nombre stœchiométrique algébrique :
est un nombre sans dimension, qui dépend de la composition instantanée du système et varie donc au cours de la réaction.
Méthode : Écrire un quotient de réaction
- Écrire les produits au numérateur, les réactifs au dénominateur.
- Élever chaque activité à sa valeur stœchiométrique (en valeur absolue).
- Remplacer chaque activité par sa forme : (gaz), (soluté), (solide, liquide pur, solvant).
- Phase gazeuse, :
- Solution, dissociation d'un acide faible :
- Équilibre hétérogène, :
Dans les expressions, on omet souvent et par commodité, en convenant d'exprimer les pressions en bar et les concentrations en . Il faut alors se souvenir que reste sans dimension.
1.5 Constante d'équilibre et critère d'évolution
1.5.1 La constante d'équilibre
L'expérience montre qu'un système fermé, laissé à lui-même à température constante, évolue toujours vers un même état final, indépendant du chemin suivi. À cet état, le quotient de réaction prend une valeur particulière, caractéristique de la réaction et de la température.
La constante d'équilibre est la valeur, sans dimension, que prend le quotient de réaction lorsque le système est à l'équilibre chimique :
ne dépend que de la réaction considérée et de la température (pas de la composition initiale, ni de la pression, ni de la présence d'autres espèces inertes).
- décrit l'état instantané du système : il varie au cours de l'évolution.
- est un nombre fixé une fois la température choisie : c'est une donnée de la réaction.
L'équilibre est atteint quand, et seulement quand, rejoint .
Pour une réaction à deux réactifs et deux produits introduits en proportions stœchiométriques, une valeur traduit une réaction quasi totale (il reste moins de des réactifs), une réaction très limitée, une valeur intermédiaire un véritable équilibre. Ce seuil n'est pas universel : il dépend des nombres stœchiométriques et des concentrations (une dissociation avance d'autant plus que la solution est diluée), et un réactif en excès l'abaisse. Dans tous les cas, c'est le calcul du reste, à l'aide de , qui tranche.
1.5.2 Critère d'évolution spontanée
Un système hors équilibre évolue spontanément dans le sens qui rapproche de :
Méthode : Prévoir le sens d'évolution
- Recenser la composition initiale et calculer dans l'état initial.
- Comparer à .
- Conclure : si , la réaction avance (formation de produits) ; si , elle recule (formation de réactifs) ; si , le système est déjà à l'équilibre.
Le critère indique le sens d'évolution, pas sa vitesse. Une réaction peut être thermodynamiquement favorable () tout en étant cinétiquement très lente : la thermodynamique décrit l'état final, la cinétique le temps pour l'atteindre. Les deux aspects sont indépendants.
1.5.3 Déterminer l'état final
Méthode : Déterminer la composition finale
- Établir le tableau d'avancement en fonction de et calculer .
- Comparer à pour connaître le sens d'évolution.
- Système homogène (tous les réactifs et produits dans des phases de composition variable) : croît vers quand tend vers , puisque l'activité du réactif limitant tend vers . L'équation a donc toujours une racine et une seule dans l'intervalle permis : l'état final est un équilibre. Une racine hors de l'intervalle (par exemple ) est une racine parasite, à écarter.
- Si est très grand : faire l'hypothèse d'une réaction quasi totale, , puis calculer le reste du réactif limitant à l'aide de et vérifier qu'il est négligeable. Si est très petit, hypothèse inverse (réaction très limitée), vérifiée de même. Si aucune hypothèse ne tient, résoudre .
- Si une phase condensée pure peut disparaître (solide qui se décompose ou se dissout) : ne contient pas son activité et reste borné ; si n'atteint pas avant que le solide soit épuisé, la transformation est totale avec : c'est une rupture d'équilibre.
- En déduire les quantités, concentrations ou pressions finales de chaque espèce.
{ Pour , à partir d'une mole de chaque réactif, croît de à sur : il rencontre une fois et une seule, en . La transformation n'est jamais totale ; avec , elle serait quasi totale ().}
On introduit de dans un réacteur maintenu à pression totale et à la température où pour . Déterminer le taux de dissociation.
Démonstration (Solution)
Tableau d'avancement (avancement noté , en mol) : , , . Les fractions molaires donnent les pressions partielles . Comme :
À l'équilibre , d'où , soit et . Comme , on a : équilibre chimique, la dissociation atteint sans être totale.
Le programme de MPI ne comporte pas de capacité numérique en chimie : ce script est une illustration. On considère avec à la température de travail. Partant de moles de et moles de (volume fixé), le tableau d'avancement donne . Le programme résout et affiche la composition finale ainsi que le taux d'avancement.
import numpy as np
K = 49.0 # constante d'equilibre (sans dimension)
n0 = 2.0 # moles initiales de H2 et de I2
# Q(xi) = (2 xi)^2 / (n0 - xi)^2 = K -> 2 xi / (n0 - xi) = sqrt(K)
r = np.sqrt(K) # racine positive
xi = r * n0 / (2.0 + r) # solution de 2 xi = r (n0 - xi)
n_H2 = n0 - xi
n_I2 = n0 - xi
n_HI = 2.0 * xi
xi_max = n0 # H2 (ou I2) limitant
print(f"avancement final xi_f = {xi:.3f} mol")
print(f"taux d'avancement tau = {xi / xi_max:.3f}")
print(f"n(H2) = n(I2) = {n_H2:.3f} mol, n(HI) = {n_HI:.3f} mol")
# verification : Q recalcule doit redonner K
Q = (2 * xi)**2 / (n0 - xi)**2
print(f"Q(xi_f) = {Q:.2f} (doit valoir K = {K})")
Résultat obtenu en l'exécutant : , soit : les trois espèces coexistent, c'est bien un équilibre chimique (transformation non totale).
1.6 Effet de la composition initiale
Puisque ne dépend que de la température, on peut agir sur l'état final en choisissant la composition initiale : c'est le principe de nombreuses stratégies de synthèse (augmenter le rendement) ou d'analyse.
Introduire un réactif en excès déplace l'équilibre dans le sens de la consommation de l'autre réactif : le taux de conversion du réactif limitant augmente. On « force » ainsi une réaction équilibrée à produire davantage.
Pour , on admet (on admet qu'elle varie peu avec la température) et, en phase liquide, (les volumes se simplifient, tous les termes étant dans la même phase).
- Mélange équimolaire : à l'équilibre , d'où et : rendement de .
- Alcool en excès ( acide, alcool) : on résout , soit ; on trouve : le rendement en acide converti passe à .
Déplacer un réactif en excès, ou éliminer un produit (distiller l'eau ou l'ester), sont les deux leviers pour augmenter le rendement d'une réaction équilibrée.
Exercices du chapitre
- L'air, l'eau et le dioxyde de carbone : choisir la bonne grandeur corrigé
- Brûler du méthane dans l'air : l'analyseur de fumées corrigé
- Le soda qu'on ouvre corrigé
- La dissociation du tétraoxyde de diazote suivie au manomètre corrigé
- La décomposition du calcaire : rupture d'équilibre corrigé
- Pourquoi l'état final est unique, et comment le calculer corrigé