Évolution d'un système chimique vers l'état d'équilibre

Cours · physique-chimie (terminale), chapitre 2 · terminale, spécialité physique-chimie · le début du chapitre, la suite sur Adloun

Le quotient de réaction tend vers la constante d'équilibre K, en partant d'une valeur plus petite ou plus grande.

De nombreuses transformations chimiques ne se déroulent pas jusqu'à épuisement complet du réactif limitant. Lorsqu'on dissout de l'acide éthanoïque dans l'eau, une partie seulement des molécules réagit : au bout d'un certain temps, on observe la coexistence simultanée des réactifs et des produits, dans des proportions qui ne varient plus. Le système a atteint un état d'équilibre.

Dans ce chapitre, nous apprenons à décrire quantitativement de tels systèmes. Nous introduisons le quotient de réaction $Q_{r}$ , grandeur qui mesure à chaque instant la composition du système, et la constante d'équilibre $K$ , valeur particulière de $Q_{r}$ atteinte à l'équilibre. La comparaison de $Q_{r}$ et de $K$ fournit un critère général d'évolution spontanée. Enfin, le taux d'avancement final permet de chiffrer le caractère plus ou moins avancé d'une transformation.

2.1 Transformations totales et non totales

2.1.1 Avancement et réactif limitant

Pour une transformation modélisée par une réaction d'équation

$a A + b B ⟶ c C + d D,$

on décrit l'évolution du système au moyen de l'avancement $x$ (en mol). La quantité de chaque espèce s'écrit, à partir des quantités initiales :

$n (A) = n_{0} (A) - a x, n (C) = n_{0} (C) + c x .$

L'avancement maximal $x_{m a x}$ est la valeur de $x$ pour laquelle le réactif limitant est entièrement consommé.

Définition 2.1Transformation totale et non totale

Une transformation chimique est dite totale lorsque le réactif limitant est entièrement consommé : l'avancement final $x_{f}$ est égal à l'avancement maximal, $x_{f} = x_{m a x}$ .

Elle est dite non totale (ou limitée) lorsqu'elle s'arrête avant l'épuisement du réactif limitant : $x_{f} < x_{m a x}$ . Réactifs et produits coexistent alors dans l'état final.

2.1.2 Réaction réversible et équilibre dynamique

Une transformation non totale s'interprète par l'existence de deux réactions inverses se déroulant simultanément. La réaction directe (sens $1$ ) consomme les réactifs, la réaction inverse (sens $2$ ) les régénère à partir des produits. On note cette réversibilité par une double flèche.

Définition 2.2Réaction réversible

Une réaction est réversible lorsqu'elle peut se produire dans les deux sens. On l'écrit avec une double flèche :

$a A + b B c C + d D .$

Une transformation non totale est modélisée par une réaction réversible.

Définition 2.3État d'équilibre dynamique

Un système chimique est dans un état d'équilibre lorsque les quantités de matière de toutes les espèces n'évoluent plus à l'échelle macroscopique. Cet équilibre est dynamique : à l'échelle microscopique, les réactions directe et inverse se poursuivent, mais à des vitesses égales, de sorte que les effets se compensent et que la composition reste constante.

À gauche : les concentrations tendent vers des valeurs constantes (plateau) sans que le réactif s'épuise. À droite : la vitesse de la réaction directe diminue (les réactifs se raréfient) tandis que celle de la réaction inverse augmente (les produits s'accumulent) ; l'équilibre est atteint lorsque $v_{1} = v_{2}$ — les deux réactions continuent, mais leurs effets se compensent.

iRemarqueMise en évidence expérimentale de l'équilibre

On met en évidence la présence de tous les réactifs dans l'état final par un nouvel ajout de réactif : dans l'équilibre $Fe X^{3 +} + SCN X^{-} [Fe (SCN)] X^{2 +}$ (complexe rouge), l'ajout de quelques gouttes de solution de $Fe X^{3 +}$ ou de $SCN X^{-}$ à l'état final intensifie la coloration rouge : le système, déséquilibré par l'ajout ( $Q_{r}$ diminue), évolue de nouveau dans le sens direct — preuve que les deux réactifs étaient encore présents et que la transformation n'était pas totale.

Exercices du chapitre

Calcul d'un taux d'avancement à partir du pH corrigé
Constante d'équilibre et composition corrigé
Effet de la dilution sur le taux d'avancement corrigé
Problème — Comparer deux états initiaux d'une même réaction corrigé
Problème — Prévision d'évolution et calcul de la composition à l'équilibre corrigé
Écriture de quotients de réaction corrigé

La suite du cours · Tous les exercices du chapitre