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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
http://jbrelphysique.free.fr/
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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)
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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)
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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