Pour A ⇌ B avec Keq = 10, si [A]₀ = 1 mol·L⁻¹ et [B]₀ = 2 mol·L⁻¹ initialement, dans quel sens évolue la réaction ?

Qr,i = [B]₀/[A]₀ = 2/1 = 2. Keq = 10. Qr,i = 2 < Keq = 10 → la réaction évolue dans le sens direct (A → B) pour augmenter [B] et diminuer [A] jusqu'à Qr = Keq = 10. À l'équilibre : [A]_eq = (1 + 2 − 10·[A]_eq)... on pose [A]_eq = x → [B]_eq = 3 − x → (3−x)/x = 10 → x = 3/11 ≈ 0,27 mol·L⁻¹.

Pour la réaction A ⇌ B avec Keq = 3 et [A]₀ = 1 mol·L⁻¹, [B]₀ = 0, calculer τ.

x_max = [A]₀·V = 1 mol·L⁻¹ (si consommation totale de A). À l'équilibre, [A]_eq = 1 − x_f et [B]_eq = x_f. Keq = [B]_eq/[A]_eq = x_f/(1 − x_f) = 3 → x_f = 3(1 − x_f) → x_f = 3 − 3x_f → 4x_f = 3 → x_f = 0,75 mol·L⁻¹. τ = x_f/x_max = 0,75/1 = 0,75 = 75%. La réaction est incomplète (τ < 1).

Physique-Chimie

Fiche de révision :
Les Équilibres Chimiques

Q: Expliquer pourquoi l'équilibre chimique est dit "dynamique" et "macroscopiquement stationnaire".

À l'équilibre, les concentrations des espèces ne varient plus : c'est pourquoi il est macroscopiquement stationnaire. Mais au niveau moléculaire, la réaction directe (A + B → C + D) et la réaction inverse (C + D → A + B) se produisent toujours avec des vitesses égales. Il n'y a pas d'arrêt des réactions mais compensation exacte. Cet équilibre est différent d'un simple mélange inerte.

Q: Pour N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g), écrire l'expression de Keq et interpréter Keq = 977 à 298 K.

Keq = [NH₃]²/([N₂]·[H₂]³). Keq = 977 >> 1 signifie que l'équilibre est très déplacé vers la formation de NH₃ à 298 K. À l'équilibre, la concentration en ammoniac est très grande par rapport aux réactifs. En pratique, le procédé Haber-Bosch opère à 450°C (Keq plus petit mais cinétique plus rapide) et haute pression pour maximiser le rendement.

Q: Pour la réaction A ⇌ B avec Keq = 3 et [A]₀ = 1 mol·L⁻¹, [B]₀ = 0, calculer τ.

x_max = [A]₀·V = 1 mol·L⁻¹ (si consommation totale de A). À l'équilibre, [A]_eq = 1 − x_f et [B]_eq = x_f. Keq = [B]_eq/[A]_eq = x_f/(1 − x_f) = 3 → x_f = 3(1 − x_f) → x_f = 3 − 3x_f → 4x_f = 3 → x_f = 0,75 mol·L⁻¹. τ = x_f/x_max = 0,75/1 = 0,75 = 75%. La réaction est incomplète (τ < 1).

Q: Pour N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ (réaction exothermique), prévoir l'effet d'une augmentation de température sur l'équilibre.

La réaction de formation de NH₃ est exothermique (ΔH < 0). D'après Le Chatelier, augmenter T favorise la réaction inverse (endothermique, qui absorbe la chaleur) pour s'opposer à la perturbation. L'équilibre se déplace vers les réactifs (N₂ + H₂), diminuant [NH₃] à l'équilibre. Keq diminue avec T pour cette réaction exothermique. C'est le compromis du procédé Haber : T basse (favorable thermodynamiquement) mais cinétique lente → utilisation d'un catalyseur.

Les équilibres chimiques sont fondamentaux en Chimie Terminale. La constante d'équilibre, le quotient de réaction et le critère d'évolution permettent de prévoir le sens d'évolution d'un système chimique.

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PHY

La réaction réversible et l'état d'équilibre

Définition

Une réaction réversible peut se produire dans les deux sens (notée ⇌). À l'état d'équilibre, les vitesses des réactions directe et inverse sont égales : les concentrations n'évoluent plus macroscopiquement. L'équilibre est dynamique : les réactions ont lieu mais se compensent. L'équilibre dépend des conditions (T, P, concentrations initiales).

Question probable

Expliquer pourquoi l'équilibre chimique est dit "dynamique" et "macroscopiquement stationnaire".

Mnémotechnique

Équilibre ⇌ : réactions directe et inverse compensées. Macroscope : rien ne change. Microscopique : réactions continues. "Calme apparent, agitation réelle."

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PHY

La constante d'équilibre Keq

Définition

Pour la réaction a·A + b·B ⇌ c·C + d·D, la constante d'équilibre thermodynamique est : Keq = ([C]^c·[D]^d) / ([A]^a·[B]^b) à l'équilibre, où les concentrations sont en

mol\cdotL⁻^1

(divisées par la concentration standard c° = 1

mol\cdotL⁻^1)

. Keq ne dépend que de la température. Grand Keq (>> 1) : équilibre déplacé vers les produits.

Question probable

Pour N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g), écrire l'expression de Keq et interpréter Keq = 977 à 298 K.

Mnémotechnique

Keq = [produits]^ν / [réactifs]^ν. Keq >> 1 → produits favorisés. Keq << 1 → réactifs favorisés. Keq = 1 → équilibre 50/50 approximatif. T change → Keq change.

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PHY

Le quotient de réaction Qr

Définition

Le quotient de réaction Qr a la même expression formelle que Keq, mais calculé pour n'importe quel état du système (pas nécessairement à l'équilibre) : Qr = ([C]^c·[D]^d) / ([A]^a·[B]^b). Critère d'évolution : si Qr < Keq → réaction directe (→) ; si Qr > Keq → réaction inverse (←) ; si Qr = Keq → équilibre.

Question probable

Pour A ⇌ B avec Keq = 10, si [A]₀ = 1

mol\cdotL⁻^1

et [B]₀ = 2

mol\cdotL⁻^1

initialement, dans quel sens évolue la réaction ?

Mnémotechnique

Qr < Keq → sens direct (→). Qr > Keq → sens inverse (←). Qr = Keq → équilibre. "Qr cherche à rejoindre Keq." Comparer comme une fraction.

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PHY

Le taux d'avancement final τ

Définition

Le taux d'avancement final est τ = x_f/x_max, où x_f est l'avancement à l'équilibre et x_max l'avancement maximal (si la réaction était totale). 0 < τ

\leq

1. τ = 1 : réaction totale (irréversible). τ proche de 0 : équilibre très défavorable. τ dépend de Keq et des concentrations initiales.

Question probable

Pour la réaction A ⇌ B avec Keq = 3 et [A]₀ = 1

mol\cdotL⁻^1

, [B]₀ = 0, calculer τ.

Mnémotechnique

τ = x_f/x_max. τ = 1 → totale. τ proche 0 → très incomplète. Calculer x_f via Keq. "Taux d'avancement = fraction de réactif consommé à l'équilibre."

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PHY

Le principe de Le Chatelier

Définition

Lorsqu'un système à l'équilibre est soumis à une perturbation (modification de T, P, concentration), il réagit en évoluant dans le sens qui tend à s'opposer à cette perturbation (principe de modération). Ajout de réactif → déplacement vers les produits. Augmentation de T → favorise la réaction endothermique. Augmentation de pression → favorise le sens qui diminue le nombre de moles de gaz.

Question probable

Pour N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ (réaction exothermique), prévoir l'effet d'une augmentation de température sur l'équilibre.

Mnémotechnique

Le Chatelier : perturbation → opposition. T↑ → favorise endothermique. Réactif ajouté → vers produits. Pression↑ → moins de moles de gaz. "Le système résiste au changement."

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