Etat d’équilibre d’un système chimique
Etat d’équilibre d’un système chimique
i.État d’équilibre d’un système chimique
1) Quotient de réaction Qr
Considérons l’équation de la réaction : \(\ce{a A_{(aq)} + b B_{(aq)} <=> c C_{(aq)} + d D_{(aq)}}\)
Le quotient de la réaction est une grandeur qui nous renseigne sur l’évolution du système étudié :
Le quotient de la réaction \(Q_r\) est donné par :
\(Q_r = \dfrac{[C]^c.[D]^d}{[A]^a.[B]^b}\)
[X] : la concentration molaire de l’espèce chimique X, en (mol/L)
Remarque
Les solides et l’eau ne figurent pas dans l’expression de ce quotient
2) La constante d’équilibre K
La constante d’équilibre K est le quotient de réaction à l’équilibre : \(K = Q_{r\,\text{éq}} = \dfrac{[C]_{éq}^{c}.[D]_{éq}^{d}}{[A]_{éq}^{a}.[B]_{éq}^{b}}\)
La constante d’équilibre K ne dépend que de la température.
Remarque
Dans le cas d’un équilibre chimique, l’avancement final est noté \(x_{éq}\)
ii.Conductance et conductivité d’une solution
1) La conductance
La conductance d’une solution est donnée par la relation :
S : la surface des électrodes en \((\text{m}^2)\)
L : la distance entre les plaques en \((\text{m})\)
2) La conductivité
La conductivité de la solution est égale à la somme des conductivités molaires des ions de la solution.
λᵢ : la conductivité molaire ionique en \((\text{S.m}^2.\text{mol}^{-1})\)
[Xᵢ] : la concentration de l’ion Xᵢ en \((\text{mol.m}^{-3})\)
3) Détermination de la constante d’équilibre par la mesure de la conductivité
Exemple : considérons une solution de volume V d’acide éthanoïque \(\ce{CH3COOH}\) de concentration C
L’équation de la réaction de l’acide éthanoïque avec l’eau : \(\ce{CH3COOH + H2O <=> H3O+ + CH3COO-}\)
| Équation de la réaction | \(\ce{CH3COOH}\) | \(\ce{+ H2O}\) | \(\ce{<=> H3O+}\) | \(\ce{+ CH3COO-}\) |
| État du système | Avancement | Quantités de matière en (mol) | ||
| État initial | 0 | C.V | 0 | 0 |
| État intermédiaire | x | C.V − x | x | x |
| État final | \(x_{max}\) | \(C.V – x_{max}\) | \(x_{max}\) | \(x_{max}\) |
| \(x_{éq}\) | \(C.V – x_{éq}\) | \(x_{éq}\) | \(x_{éq}\) | |
- L’expression de la conductivité : \(\sigma_{éq} = \lambda_{\ce{H3O+}}[\ce{H3O+}]_{éq} + \lambda_{\ce{CH3COO-}}[\ce{CH3COO-}]_{éq}\)
- D’après le tableau d’avancement : \([\ce{H3O+}]_{éq} = [\ce{CH3COO-}]_{éq}\) et \([\ce{CH3COOH}]_{éq} = C – [\ce{H3O+}]_{éq}\)
- Connaissant la conductivité à l’équilibre on peut calculer la valeur de \([\ce{H3O+}]_{éq}\) :
\([\ce{H3O+}]_{éq} = \dfrac{\sigma_{éq}}{\lambda_{\ce{H3O+}} + \lambda_{\ce{CH3COO-}}}\)
- La constante d’équilibre est donnée par : \(K = \dfrac{[\ce{H3O+}]_{éq}^{2}}{C – [\ce{H3O+}]_{éq}}\)
iii.Facteurs influençant sur le taux d’avancement
1) Influence de la constante d’équilibre
Exemple
Considérons la réaction de la transformation entre l’acide méthanoïque et l’eau selon l’équation de la réaction suivante :
\(\ce{HCOOH + H2O <=> H3O+ + HCOO-}\)
Le tableau d’avancement :
| Équation de la réaction | \(\ce{HCOOH}\) | \(\ce{+ H2O}\) | \(\ce{<=> H3O+}\) | \(\ce{+ HCOO-}\) |
| État du système | Avancement | Quantités de matière en (mol) | ||
| État initial | 0 | C.V | 0 | 0 |
| État intermédiaire | x | C.V − x | x | x |
| État d’équilibre | \(x_{max}\) | \(C.V – x_{max}\) | \(x_{max}\) | \(x_{max}\) |
| \(x_{éq}\) | \(C.V – x_{éq}\) | \(x_{éq}\) | \(x_{éq}\) | |
- L’avancement maximal de la réaction : \(x_{max} = C.V\)
- Le taux d’avancement \(\tau = \dfrac{x_{éq}}{C.V} \iff\) \(x_{éq} = \tau.C.V\)
- D’après le tableau d’avancement : \([\ce{H3O+}]_{éq} = [\ce{HCOO-}]_{éq} = \dfrac{x_{éq}}{V}\) et \([\ce{HCOOH}]_{éq} = \dfrac{C.V – x_{éq}}{V}\)
On a : \(K = \dfrac{[\ce{H3O+}]_{éq}.[\ce{HCOO-}]_{éq}}{[\ce{HCOOH}]_{éq}} = \dfrac{x_{éq}^{2}}{(C.V – x_{éq}).V}\) et \(x_{éq} = \tau.C.V\)
La constante d’équilibre en fonction du taux de l’avancement :
\(K = \dfrac{C.\tau^2}{1-\tau}\)
Conclusion
Plus la constante d’équilibre K est grande plus le taux d’avancement τ est élevé.
2) Influence de l’état initial d’un système
Plus la concentration de la solution est faible plus le taux d’avancement τ est élevé
Exemple
| Acide éthanoïque de concentration initiale \(C_i\) (mol/L) | \(5.10^{-2}\) | \(5.10^{-3}\) | \(5.10^{-4}\) |
| Taux d’avancement τ | 0.02 | 0.06 | 0.17 |
