Quotient de réaction et critère d’évolution spontanée

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Les transformations chimiques ne sont pas toujours totales et peuvent donc se faire dans les deux sens. L’évolution d’un système est liée à la notion d’équilibre.

I) Équilibre dynamique et quotient de réaction

Le taux d’avancement final τ d’une transformation est défini par : τ=xfxm

avec τ sans unité et souvent exprimé en % ; xf l’avancement final et xm l’avancement maximal.

si τ = 1 : transformation totale ;

si τ < 1 : transformation non totale (limitée).

Une transformation n’est pas totale si elle peut se faire dans les deux sens : direct (lecture de gauche à droite dans l’équation de réaction) et indirect (de droite à gauche). L’état final est atteint lorsque la formation des produits se fait à la même vitesse que leur consommation. On parle d’équilibre dynamique et cela se traduit par la double flèche de réaction : .

Soit un système chimique subissant une transformation modélisée par :

a A(aq) + b B(aq)c C(aq) + d D(aq).

Le quotient de réaction est défini par : Qr=[C]c×[D]d[A]a×[B]b

avec Qr nombre sans unité ; [X] concentration en quantité de matière de l’espèce X (nombre sans unité, égal à la concentration de X en mol · L1). Si X est un solide ou le solvant H2O, il n’apparaît pas dans le calcul du quotient de réaction Qr.

II) Constante d’équilibre et critère d’évolution spontanée d’un système

Soit une transformation chimique et son équation de réaction à laquelle on associe une constante d’équilibre, grandeur sans unité, notée K.

À noter

Pour l’équation considérée, la constante d’équilibre K ne dépend que de la température.

Quand un système est à l’équilibre (les quantités de matière des espèces n’évoluent plus), le quotient de réaction est égal à la constante d’équilibre :

à l’équilibre : Qr = K ;

en dehors de l’équilibre : QrK.

Si un système chimique est hors d’équilibre dans le cas d’une transformation non totale avec tous les réactifs et tous les produits présents à l’état initial, le critère d’évolution spontanée permet de prévoir, selon la valeur du quotient de réaction initial, dans quel sens se fera effectivement la transformation :

si Qri < K : évolution en sens direct ;

si Qri > K : évolution en sens indirect.

Méthode

1) Déterminer si une transformation est totale ou non

Soit une transformation dont on connaît l’avancement final xf = 2,0 × 102 mol et l’avancement maximal xm = 3,00 × 102 mol.

Le réactif limitant sera-t-il totalement consommé à l’état final ?

Conseils

Calculez le taux d’avancement final.

Solution

2 Prévoir le sens d’évolution d’un système chimique

Soit l’équilibre : Ag+(aq) + 2 NH3(aq) Ag(NH3)+2 (aq) avec K = 8,13 × 103.

Conseils

Calculez les concentrations des différentes espèces, puis déterminez le quotient de réaction initial et enfin appliquez le critère d’évolution spontanée.

Solution

La concentration en quantité de matière est C=nV.

Pour l’ion argent : Ag+i=5,00×103250×103=2,00×102 mol·L1.

NH3i=8,00×103mol·L1 et AgNH32+i=1,60×101 mol·L1.

Le quotient de réaction initial s’écrit : Qri=AgNH32+iAg+i×NH3i2.

Les réactifs et le produit étant tous initialement présents, on peut envisager une évolution dans les deux sens pour cette transformation non totale. La comparaison de K et de Qri permet de prédire le sens effectif.