Physique-Chimie (Spé) — Constitution et transformations de la matière
Évolution spontanée d'un système chimique
Quotient de réaction, constante d'équilibre, critère d'évolution
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
L'évolution spontanée d'un système chimique est prédite par la comparaison du quotient de réaction Qr avec la constante d'équilibre K. Le quotient de réaction Qr est calculé à partir des concentrations des produits et des réactifs à un instant donné. Si Qr < K, le système évolue dans le sens direct (formation des produits). Si Qr > K, le système évolue dans le sens inverse. Si Qr = K, le système est à l'équilibre : les concentrations n'évoluent plus macroscopiquement. Une réaction est considérée comme totale si K est très grande (K > 10⁴), et comme très limitée si K est très petite (K < 10⁻⁴). La constante K ne dépend que de la température.
Le quotient de réaction Qr est une « photo instantanée » de l'état d'avancement d'une réaction. Il se calcule à n'importe quel instant et permet de prédire l'évolution du système.
- Pour aA + bB ⇌ cC + dD : Qr = [C]ᶜ × [D]ᵈ / ([A]ᵃ × [B]ᵇ)
- Qr est calculé avec les concentrations à un instant donné (pas forcément à l'équilibre)
- Les concentrations sont exprimées en mol/L, rapportées à la concentration standard C° = 1 mol/L
- Le solvant (eau) et les solides n'apparaissent pas dans l'expression de Qr
- Qr est sans dimension
- Qr peut être calculé à tout instant, y compris à l'état initial (Qr,i)
Exemple
Réaction CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺. Si [CH₃COOH] = 0,10 mol/L, [CH₃COO⁻] = 0,01 mol/L et [H₃O⁺] = 0,01 mol/L : Qr,i = (0,01 × 0,01) / 0,10 = 1,0×10⁻³.
Piège à éviter
L'eau (solvant) n'apparaît JAMAIS dans Qr, même quand elle est réactif ou produit. Seuls les solutés figurent dans l'expression.
La constante d'équilibre K est la valeur « cible » vers laquelle le quotient Qr tend toujours. Elle ne dépend que de la température — pas des concentrations initiales.
- K est la valeur du quotient de réaction à l'équilibre : K = Qr,éq
- K ne dépend que de la température (et de l'écriture de l'équation)
- Si K >> 1 (ex : K > 10⁴) : la réaction est quasi-totale dans le sens direct
- Si K << 1 (ex : K < 10⁻⁴) : la réaction est très peu avancée dans le sens direct
- Si K ≈ 1 : la réaction est modérément avancée, l'équilibre est atteint avec des quantités significatives de tous les réactifs et produits
- Inverser l'équation transforme K en 1/K
Exemple
Réaction acide éthanoïque/eau : K = Ka = 1,8×10⁻⁵ à 25°C. K << 1, donc la réaction est très limitée : l'acide est faiblement dissocié. Si on écrit la réaction inverse, K' = 1/Ka = 5,6×10⁴.
Piège à éviter
K ne change PAS si on modifie les concentrations, le volume ou la pression. Seule la température la modifie. Ne pas confondre « déplacement d'équilibre » (Qr change) et « modification de K » (T change).
La comparaison entre Qr,i et K est LE critère d'évolution au programme. C'est simple : le système évolue toujours pour que Qr se rapproche de K.
- Si Qr,i < K : le système évolue dans le sens direct (→) pour augmenter Qr jusqu'à K
- Si Qr,i > K : le système évolue dans le sens inverse (←) pour diminuer Qr jusqu'à K
- Si Qr,i = K : le système est déjà à l'équilibre, pas d'évolution macroscopique
- Le système évolue toujours dans le sens qui rapproche Qr de K
- À l'équilibre, la réaction n'est pas arrêtée : elle continue dans les deux sens à la même vitesse (équilibre dynamique)
Exemple
On mélange Fe³⁺ et SCN⁻ pour former FeSCN²⁺ (rouge sang). K = 900. Si Qr,i = [FeSCN²⁺]/([Fe³⁺]×[SCN⁻]) = 100 < K → sens direct : la solution se colore davantage en rouge.
Piège à éviter
« Évolution dans le sens direct » ne signifie PAS que la réaction est totale. Le système s'arrête dès que Qr = K, même s'il reste des réactifs.
Le taux d'avancement τ mesure « combien » la réaction a avancé par rapport au maximum possible. Il permet de quantifier si une réaction est totale ou limitée.
- Le taux d'avancement final τ = x_f / x_max avec x_f l'avancement final et x_max l'avancement maximal
- Si τ = 1 : la réaction est totale (le réactif limitant a été entièrement consommé)
- Si τ < 1 : la réaction est limitée (il reste du réactif limitant à l'équilibre)
- Pour une réaction totale (K très grand) : τ ≈ 1
- Le calcul de l'état final utilise un tableau d'avancement avec x = x_éq déterminé par Qr = K
Exemple
Dissolution de l'acide éthanoïque à C = 0,10 mol/L. On trouve x_f = 1,3×10⁻³ mol et x_max = 0,10 mol. Donc τ = 1,3×10⁻³/0,10 = 0,013 soit 1,3%. Réaction très limitée, cohérent avec Ka = 1,8×10⁻⁵.
Piège à éviter
τ = 1 ne signifie pas que TOUS les réactifs ont disparu, seulement le réactif LIMITANT. L'autre réactif peut rester en excès.
Quiz - Évolution spontanée
10 questions
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Évolution spontanée d'un système chimique, extraits du quiz de révision.
Si Qr,i < K, le système évolue dans :
Réponse : Le sens direct
Si Qr,i < K, le quotient doit augmenter pour atteindre K. Il faut donc former plus de produits → évolution dans le sens direct.
La constante d'équilibre K dépend de :
Réponse : La température uniquement
K ne dépend que de la température et de l'écriture de l'équation de réaction. Ni les concentrations initiales ni le volume ne modifient K.
Si K = 10⁸, la réaction est :
Réponse : Quasi-totale
K >> 1 (ici 10⁸) signifie que l'équilibre est très déplacé vers les produits : la réaction est quasi-totale.
À l'équilibre chimique :
Réponse : Qr = K et les concentrations sont constantes
À l'équilibre, Qr = K. La réaction continue dans les deux sens (équilibre dynamique) mais les concentrations macroscopiques restent constantes.