L’équilibre chimique

État final et taux d’avancement final

Évolution d’une transformation chimique

• Lors d’une transformation chimique, un système évolue d’un état initial vers un état final, ce dernier est atteint lorsque la transformation chimique est finie.
• $(x_\text{f})=(x_{\text{max}})$, alors la transformation chimique est totale.
• $(x_\text{f})<(x_{\text{max}})$, alors la transformation chimique est non-totale.

État final d’une transformation non-totale

• Lors d’une transformation chimique non-totale, tous les réactifs et tous les produits coexistent en proportions constantes dans l’état final.
• L’état final d’une transformation non-totale est un état d’équilibre chimique.
• L’équilibre atteint par le système est dynamique au niveau microscopique : la réaction dans le sens direct et indirect ont continuellement lieu avec des vitesses égales, de telle sorte que les quantités de matière des espèces restent constantes.

Taux d’avancement final d’une transformation non-totale

• Taux d’avancement final $(\tau)$ d’une transformation est une grandeur sans dimension : $$\tau=\dfrac{x_\text{f}}{x_{\text{max}}}$$
• Transformation chimique non-totale : $0<\tau<1$.
• Transformation chimique totale : $\tau=1$.

Quotient de réaction et constante d’équilibre

Quotient de réaction et avancement

• Le quotient de réaction est une grandeur sans dimension qui permet de caractériser un système chimique dans un état donné.
  Sa valeur évolue au cours de la transformation chimique.
• Pour une réaction en solution aqueuse d’équation : $$a\text{A}_{(\text{aq})}+b\text{B}_{(\text{aq})}=c\text{C}_{(\text{aq})}+d\text{D}_{(\text{aq})}$$ Le quotient de réaction $(Q_r)$ associé s’écrit : $$Q_r=\dfrac{[\text{C}]^c\times[\text{D}]^d}{[\text{A}]^a\times[\text{B}]^b}$$
• L’expression du quotient de réaction dépend du sens dans lequel l’équation de la réaction est écrite.
• Dans l’expression du quotient de réaction, il ne faut pas tenir compte du solvant et des solides pouvant apparaître dans l’équation de la réaction.
• La valeur du quotient de réaction dépend de l’avancement de la réaction.

Constante d’équilibre

• Lorsqu’un système chimique atteint son état d’équilibre, le quotient de réaction $(Q_{r,eq})$ prend une valeur appelée constante d’équilibre de la réaction $(K(T))$.
• Pour une réaction en solution aqueuse d’équation : $$a\text{A}_{(\text{aq})}+b\text{B}_{(\text{aq})}=c\text{C}_{(\text{aq})}+d\text{D}_{(\text{aq})}$$ La constante d’équilibre s’écrit : $$K(T)=Q_{r,eq}=\dfrac{[\text{C}]_{eq}^c\times[\text{D}]_{eq}^d}{[\text{A}]_{eq}^a\times[\text{B}]_{eq}^b}$$
• La constante d’équilibre est une grandeur sans dimension et sa valeur ne dépend que de la température.

Sens d’évolution spontanée d’un système chimique

Pour déterminer le sens d’évolution spontanée d’un système chimique, il faut comparer le quotient de réaction à l’état initial $(Q_{r,i})$ avec la constante d’équilibre de la réaction $(K(T))$.

• Si $Q_{r,i}< K(T)$ : le système évolue dans le sens direct de l’écriture de l’équation de la réaction jusqu’à atteindre l’état d’équilibre.
• Si $Q_{r,i} = K(T)$ : le système est à l’équilibre, aucune évolution n’est observée.
• Si $Q_{r,i}> K(T)$ : le système évolue dans le sens indirect de l’écriture de l’équation de la réaction jusqu’à atteindre l’état d’équilibre.