Avenger's project / Spécialité Physique Chimie Terminale Lycée Jacques Brel (La Courneuve 93)http://jbrelphysique.free.fr

SENS D’EVOLUTION D’UNE REACTION

THEME : CHIMIE MINERALE

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Prenons comme référence la réaction chimique dont l’équation

est :

𝐚𝐀(𝐚𝐪) + 𝐛𝐁(𝐚𝐪) ⇌ 𝐜𝐂(𝐚𝐪) + 𝐝𝐃(𝐚𝐪)

Lorsqu’une réaction chimique a lieu, les réactifs A et B

réagissent entre eux pour former les produits C et D selon les

proportions stœchiométriques : la réaction se produit alors dans

le sens direct (gauche vers droite).

Lorsque les produits C et D sont formés, ils vont de manière

simultanée, réagir pour reformer A et B : la réaction se produit

alors dans le sens indirect (droite vers gauche).

EQUILIBRE D’UNE REACTION

Réaction directe : aA(aq) + bB(aq) → cC(aq) + dD(aq)

Réaction indirecte : cC(aq) + dD(aq) → aA(aq) + bB(aq)

Les deux réactions ont alors lieu au même moment maisavec des vitesses différentes :

- si la vitesse de réaction correspondant au sensdirect est la plus élevée, on verra alors globalementune seule réaction se produire dans le sens direct ;

- si la vitesse de réaction correspondant au sensindirect est la plus élevée, on verra alors globalementune seule réaction se produire dans le sens indirect ;

- si la vitesse de réaction correspondant au sensindirect est identique à celle correspondant au sensindirect, on atteint alors un état d’équilibre ;

SENS DIRECT – SENS INDIRECT

Réaction directe : aA(aq) + bB(aq) → cC(aq) + dD(aq)

Réaction indirecte : cC(aq) + dD(aq) → aA(aq) + bB(aq)

𝐚𝐀(𝐚𝐪) + 𝐛𝐁(𝐚𝐪) ⇌ 𝐜𝐂(𝐚𝐪) + 𝐝𝐃(𝐚𝐪)

Au bout d’un certain moment, la vitesse de réaction du sens direct

et celle du sens indirect auront la même valeur. Le système

chimique atteint alors un état d’équilibre et les concentrations des

réactifs et des produits resteront alors constantes, bien que les

réactions continuent dans les deux sens. La constante d’équilibre

K , qui dépend de la température T, s’écrit alors :

𝐊 =𝐂 é𝐪

𝐜 . 𝐃 é𝐪𝐝

𝐀 é𝐪𝐚 . 𝐁 é𝐪

𝐛

CONSTANTE D’EQUILIBRE K

Réaction directe : aA(aq) + bB(aq) → cC(aq) + dD(aq)

Réaction indirecte : cC(aq) + dD(aq) → aA(aq) + bB(aq)

Attention :Si un des réactifs ou desproduits correspond ausolvant, on l’ignorera.

Dans le cas d’une réaction acidobasique au cours de laquelle un acide réagit

avec de l’eau, on a :

𝐀𝐇(𝐚𝐪) +𝐇𝟐𝐎(𝐥) ⇄ 𝐀(𝐚𝐪)− +𝐇𝟑𝐎(𝐚𝐪)

+

Et la constante d’équilibre K de cette réaction se nomme dans ce cas

« constante d’acidité KA» du couple. Elle s’écrit :

𝐊𝐀 =𝐀− é𝐪. 𝐇𝟑𝐎

+é𝐪

𝐀𝐇 é𝐪

EXEMPLE : LA CONSTANTE D’ACIDITE KA

𝐚𝐀(𝐚𝐪) + 𝐛𝐁(𝐚𝐪) ⇌ 𝐜𝐂(𝐚𝐪) + 𝐝𝐃(𝐚𝐪)

On peut alors calculer le quotient de réaction Qr,t à tout instant t de la réaction :

𝐐𝐫,𝐭 =𝐂 𝐭

𝐜. 𝐃 𝐭𝐝

𝐀 𝐭𝐚. 𝐁 𝐭

𝐛

Ce quotient de réaction, lorsqu’on le calcule à l’instant final, moment où l’équilibre entreles réactifs et les produits s’est installé, est alors égal à la constante d’équilibre K de laréaction :

𝐐𝐫,é𝐪 = 𝐊 =𝐂 é𝐪

𝐜 . 𝐃 é𝐪𝐝

𝐀 é𝐪𝐚 . 𝐁 é𝐪

𝐛

QUOTIENT DE REACTION Qr

Lorsque l’on considère une

réaction chimique en dehors de

l’état d’équilibre (exemple : état

initial), on peut alors prévoir

dans quel sens aura lieu la

réaction en calculant le quotient

de réaction Qr,t :

SENS SPONTANEE D’EVOLUTION D’UNE REACTION

- Si Qr,t > K : le sens spontané de la réaction sera alors le sens indirect car il y a un

surplus de produits par rapport à l’équilibre ;

- Si Qr,t < K : le sens spontané de la réaction sera alors le sens direct car il y a un

surplus de réactifs par rapport à l’équilibre ;

- Si Qr,t = K : le système est alors à l’équilibre et n’évoluera plus.

Plus la valeur de la constante d’équilibre K est grande et plus cela signifie que la

réaction est fortement déplacée dans le sens direct. On considère qu’une réaction

est totale lorsque K > 104.

Plusieurs cas de figure sont possibles :

- K > 104 : on considère que la réaction est alors totale (les réactifs sont

consommés entièrement) ;

- K < 104 : on considère que la réaction est non totale, équilibrée, ou limitée (les

réactifs ne sont pas entièrement consommés).

REACTION TOTALE OU NON TOTALE

Le taux d’avancement final 𝛕𝐟 d’une réaction permet de savoir si une réaction est totale ou non et est défini par :

𝛕𝐟 =𝐱𝐟

𝐱𝐦𝐚𝐱

Or ∶ 0 ≤ xf ≤ xmax֞𝟎 ≤ 𝛕𝐟 =𝐱𝐟

𝐱𝐦𝐚𝐱≤ 𝟏

൞

𝐬𝐢 𝛕𝐟 = 𝟎 ∶ il n′y a 𝐩𝐚𝐬 𝐝𝐞 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐬𝐟𝐨𝐫𝐦𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧

𝐬𝐢 𝟎 < 𝛕𝐟 < 𝟏 ∶ la transformation est 𝐧𝐨𝐧 𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥𝐞 ou limitée, ou équilibrée𝐬𝐢 𝛕𝐟 = 𝟏 ∶ la transformation est 𝐭𝐨𝐭𝐚𝐥𝐞

TAUX D’AVANCEMENT FINAL τf

Equation de la réaction : 𝐂𝐇𝟑𝐂𝐎𝐎𝐇(𝐚𝐪) + 𝐇𝟐𝐎(𝐥) →𝐂𝐇𝟑𝐂𝐎𝐎(𝐚𝐪)− + 𝐇𝟑𝐎(𝐚𝐪)

+

Etat du système

Avancement de la réaction

Quantités de matière présentes dans le système

Initial x = 0 0,010 excès 0 0

En cours x 0,010 - x excès x x

Final xf 0,010 – xf excès xf = 4,0.10-5 xf = 4,0.10

-5

Volume de la solution : VS = 10,0 mL ; concentration en acide éthanoïque : 1,0 mol/L.

A une température de 25°C (ou 298K), on verse 0,15 mol d’acide propanoïque C2H5COOH dansde l’eau pour obtenir une solution de volume V = 1,0 L. Lorsque l’on atteint l’état d’équilibre, onmesure le pH de la solution qui est de 2,9.

1. Quel est le type de réaction qui se produit ?

2. Ecrire l’équation de la réaction qui a lieu et donner les couples correspondant.

3. Etablir le tableau d’avancement de la réaction.

4. Calculer l’avancement final xf de la réaction.

5. Calculer l’avancement maximal xmax de la réaction.

6. En déduire le taux d’avancement final τf de la réaction.

7. Donner l’expression du quotient de réaction Qr,i à l’état initial et calculer sa valeur.

8. Calculer le quotient de réaction Qr,t lorsque l’avancement de la réaction vaut x = 0,02 mol.

9. Donner l’expression de la constante d’équilibre K à 25°C puis calculer sa valeur.

10. Cette transformation est-elle totale ?

EXERCICE D’ENTRAÎNEMENT

1. C’est une réaction acidobasique car on introduit un acide dans de l’eau, qui est une espèce amphotère. L’eau jouera alors le rôle de la base.

2. L’équation de la réaction est alors : C2H5COOH(aq) + H2O(l) ⇌ C2H5COO(aq)

− + H3O(aq)+

Les deux couples sont donc 𝐂𝟐𝐇𝟓𝐂𝐎𝐎𝐇(𝐚𝐪)/ 𝐂𝟐𝐇𝟓𝐂𝐎𝐎(𝐚𝐪)− et

𝐇𝟑𝐎(𝐚𝐪)+ / 𝐇𝟐𝐎(𝐥)

3. Tableau d’avancement

Equation de la réaction : C2H5COOH(aq) + H2O(l) ⇌ C2H5COO(aq)

− + H3O(aq)+

Etat du systèmeAvancement de la réaction

Quantités de matière présentes dans le système

Initial x = 0 0,15 solvant 0 0

En cours x 0,15 – x solvant x x

Final xf 0,15 – xf solvant xf xf = 10-2,9

Final si réaction totale

xmax 0,15 – xmax = 0 solvant xmax xmax

4. xf = nf H3O+ ֜xf = H3O

+ . V֜xf = c°. 10−pH. V

֜A. N ∶ xf = 1x10−2,9x1,0֜𝐱𝐟 = 𝟏, 𝟑. 𝟏𝟎

−𝟑 𝐦𝐨𝐥

5. 0,15 − xmax = 0

֜𝐱𝐦𝐚𝐱 = 𝟎, 𝟏𝟓 𝐦𝐨𝐥

6. Taux d’avancement final τf :

τf =xf

xmax

A. N ∶ τf =1,3. 10−3

0,15

֜𝛕𝐟 = 𝟖, 𝟕. 𝟏𝟎−𝟑 < 𝟏

La réaction n’est donc pas totale.

7. Quotient de réaction Qr,i à l’état initial :

Qr,i =[C2H5COO

−]i. [H3O+]i

[C2H5COOH]iLe volume étant de V = 1,0 L :

Qr,i =0x0

0,15֜𝐐𝐫,𝐢 = 𝟎

8. Quotient de réaction Qr,t lorsque x = 0,02:

Qr,t =[C2H5COO

−]t. [H3O+]t

[C2H5COOH]tLe volume étant de V = 1,0 L :

Qr,t =0,02x0,02

0,15 − 0,02֜𝐐𝐫,𝐭 = 𝟑, 𝟏. 𝟏𝟎

−𝟑

9. Constante d’équilibre K :

K =[C2H5COO

−]éq. [H3O+]éq

[C2H5COOH]éqLe volume étant de V = 1,0 L :

K =xf2

0,15 − xf

K =(1,3. 10−3)2

0,15 − 1,3. 10−3֜𝐊 = 𝟏, 𝟒. 𝟏𝟎−𝟓

10. La réaction n’est donc pas totale car K K ∶ la réaction évolue dans le sens indirect