Chimie · 4ème TechThème 1 : L'équilibre chimique · Chapitre 1

Notion d'équilibre chimique

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• décrire l'évolution d'un système avec l'avancement x et le tableau descriptif ;
• définir et calculer le taux d'avancement final d'une réaction ;
• distinguer une réaction totale d'une réaction limitée ;
• reconnaître un système en état d'équilibre chimique et l'interpréter à l'échelle microscopique (équilibre dynamique) ;
• décrire l'équilibre estérification - hydrolyse.
Prérequis : équation chimique, quantité de matière, réactif limitant, pH, acides carboxyliques, alcools et esters.

Situation de départ

Dans une bouteille de boisson gazeuse fermée, le dioxyde de carbone dissous et le dioxyde de carbone gazeux coexistent sans que leurs quantités changent ; pourtant, des molécules passent sans cesse d'une phase à l'autre. En chimie aussi, certaines réactions s'arrêtent alors qu'il reste tous les réactifs.
Pourquoi une réaction peut-elle s'arrêter avant l'épuisement du réactif limitant ?

I. Avancement d'une réaction chimique

1. Avancement et tableau descriptif

Pour une réaction d'équation a A + b B c C + d D, l'avancement x (en mol) est le nombre de fois que la réaction s'est produite depuis l'état initial : quand x augmente de 1 mol, a mol de A et b mol de B disparaissent, c mol de C et d mol de D apparaissent. À chaque instant :

n(A) = n₀(A) - a.x ; n(B) = n₀(B) - b.x ; n(C) = c.x ; n(D) = d.x

Le tableau descriptif d'évolution du système résume ces quantités à l'état initial, en cours d'évolution et à l'état final. Pour une solution de volume V constant, on utilise aussi l'avancement volumique y = x/V (en mol.L^-1).

2. Avancement maximal, réactif limitant

Le réactif limitant est celui qui disparaît le premier si la réaction se poursuit jusqu'au bout. L'avancement maximal x_max est la valeur de l'avancement qui l'épuise : c'est la plus petite des valeurs n₀(A)/a et n₀(B)/b. L'avancement final x_f est la valeur de l'avancement quand le système n'évolue plus ; on le détermine par l'expérience (dosage, mesure de pH, de masse...).

Fig. 1 — Tableau descriptif de l'oxydation des ions iodure : l'ion peroxodisulfate est le réactif limitant, x_max = 2,0 mmol.

II. Réaction totale, réaction limitée

1. Taux d'avancement final

Le taux d'avancement final compare l'avancement final à l'avancement maximal :

τ_f = ^x_f_{x_max} avec 0 < τ_f ≤ 1

C'est une grandeur sans unité.

Animation

si τ_f = 1, la réaction est totale : le réactif limitant disparaît complètement ;
si τ_f < 1, la réaction est limitée : réactifs et produits coexistent à l'état final.

Fig. 2 — L'avancement atteint x_max pour une réaction totale ; il se stabilise à x_f < x_max pour une réaction limitée.

Exemple

Une solution d'acide méthanoïque HCOOH à 1,0.10^-2 mol.L^-1 a un pH de 2,9. Pour 1 L : x_max = 1,0.10^-2 mol (l'eau est en excès) et x_f = n(H₃O⁺) = 10^-2,9 = 1,3.10^-3 mol, donc τ_f = 0,13 : la réaction de l'acide avec l'eau est limitée.

III. L'état d'équilibre chimique

1. Définition

Quand une réaction est limitée, le système atteint un état final dans lequel coexistent tous les réactifs et tous les produits, et dont la composition ne varie plus, en dehors de toute intervention extérieure : c'est un état d'équilibre chimique. On l'écrit avec une double flèche :

CH₃COOH + H₂O CH₃COO^- + H₃O⁺

La réaction de gauche à droite est la réaction directe (sens 1), celle de droite à gauche la réaction inverse (sens 2).

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