chimie (MPSI) · Chapitre 1 · Exercice de TD
La décomposition du calcaire : rupture d'équilibre
Description d'un système et évolution vers l'état final · D. Constante d'équilibre et critère d'évolution · niveau 3 (difficile)
Énoncé
On étudie , de constante à 1073 K (800 °C) ; les deux solides sont purs et non miscibles. Dans une enceinte de 10,0 L préalablement vidée, maintenue à 1073 K, on introduit une masse de carbonate de calcium. , ; le volume des solides est négligeable.
- Écrire . De quoi l'état d'équilibre, s'il est atteint, dépend-il ? De quoi ne dépend-il pas ?
- Pour , déterminer l'état final : pression, quantités de chaque solide.
- Pour , montrer que l'hypothèse « l'équilibre est atteint » conduit à une contradiction. Déterminer l'état final. Ce système est-il à l'équilibre chimique ?
- Tracer l'allure de la pression finale en fonction de ; donner la masse seuil . Que se passe-t-il, pour , si l'on augmente le volume de l'enceinte ?
- Un four à chaux industriel est ouvert et balayé par les gaz de combustion. Pourquoi ? Sachant que atteint 1 vers 900 °C, pourquoi les fours travaillent-ils au-delà ?
Corrigé
1) Un quotient qui ignore les solides. Les deux solides ont une activité 1 : . Si l'équilibre est atteint, : la pression d'équilibre ne dépend que de la température, ni de la quantité de calcaire introduite, ni du volume.
La quantité de gaz correspondant à l'équilibre, dans 10,0 L à 1073 K, est
2) Cinq grammes : l'équilibre existe. On introduit de carbonate. Hypothèse : l'équilibre est atteint. Alors . Vérification : il reste de carbonate, quantité positive — l'hypothèse est cohérente. État final : ; de carbonate de calcium ; , soit , de chaux vive.
3) Un gramme : la rupture d'équilibre. On introduit . Hypothèse : l'équilibre est atteint. Il faudrait former de gaz, donc consommer autant de carbonate — plus qu'il n'y en a. Contradiction : l'hypothèse est fausse.
Au départ, : la réaction avance tant que la pression n'a pas atteint 0,22 bar ; mais le carbonate s'épuise avant. La transformation est totale, et la pression finale vaut Dans l'état final, , et pourtant plus rien n'évolue, faute de réactif. Le système n'est pas à l'équilibre chimique : le critère d'évolution indique le sens direct, mais le carbonate de calcium a disparu, et l'équilibre, qui exige la présence simultanée des deux solides, ne peut pas s'établir. C'est une rupture d'équilibre. Avec un seul solide présent, le système n'est pas soumis à la condition .
4) La courbe et le seuil. Le seuil sépare les deux régimes : . Pour , transformation totale et , droite passant par l'origine ; pour , équilibre et , palier horizontal. Point anguleux en .
Si l'on augmente le volume à fixé, la pression reste à 0,22 bar et du carbonate se décompose, jusqu'à épuisement pour . Au-delà, la décomposition est totale et la pression diminue comme .
5) Le four à chaux. Un four ouvert, balayé par des gaz, évacue le dioxyde de carbone au fur et à mesure : sa pression partielle reste inférieure à , donc en permanence, et la décomposition est totale : éliminer un produit au fur et à mesure maintient jusqu'à l'épuisement du réactif. Au-dessous de 900 °C, : la décomposition s'arrête dès que la pression du gaz carbonique dépasse bar, ce qui arrive vite au cœur des blocs. Au-delà, : elle progresse même sous du dioxyde de carbone pur à la pression ambiante. D'où des fours vers 1000 °C.
Ce que l'exercice installe. Avec des phases condensées pures, un équilibre peut ne pas exister : on fait l'hypothèse de l'équilibre, on la vérifie par le signe des quantités, et, si elle échoue, l'état final est une transformation totale avec . « Plus rien n'évolue » ne veut pas dire « équilibre chimique ». Il reviendra pour la dissolution d'un solide et les diagrammes d'existence.
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