État d'équilibre d'un système chimique

حالة توازن مجموعة كيميائية

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Contenu du cours

Comparaison du quotient de réaction à la constante d'équilibre pour prévoir le sens d'évolutionUn axe horizontal représente les valeurs possibles du quotient de réaction. Au centre, un point marque l'égalité entre le quotient de réaction et la constante d'équilibre : le système est à l'équilibre. À gauche, lorsque le quotient est inférieur à la constante, une flèche vers la droite indique une évolution dans le sens direct avec formation de produits. À droite, lorsque le quotient est supérieur, une flèche vers la gauche indique une évolution dans le sens inverse avec reformation des réactifs. Deux encadrés donnent la définition du taux d'avancement final et rappellent que seule la température fait varier la constante d'équilibre.Comparer Qr à K suffit à savoir dans quel sens ça va évoluerTrois situations seulement, et une seule règle à retenirQr = Kéquilibre atteintQr < Kévolution dans leSENS DIRECT(il se forme des produits)Qr > Kévolution dans leSENS INVERSE(il se reforme des réactifs)Taux d'avancement finalτ = x_f / x_maxτ = 1 : réaction totale | τ < 1 : limitéeCe qui fait varier Kla température, uniquement.Ni la dilution, ni les quantités initiales.
Une seule règle : → sens direct, → sens inverse, → équilibre. Et ne dépend que de la température — ni de la dilution, ni des quantités initiales.

1. Système chimique et évolution vers un état d'équilibre

Un système chimique est un ensemble d'espèces chimiques (réactifs et produits) susceptibles de réagir entre elles ; son évolution est modélisée par une équation de la réaction. De nombreuses transformations ne sont pas totales : réactifs et produits coexistent indéfiniment, dans des proportions qui n'évoluent plus au bout d'un certain temps. On dit que le système atteint un état d'équilibre chimique, noté avec une double flèche , par exemple . Cet équilibre est dynamique : les réactions directe et indirecte se poursuivent à la même vitesse, si bien qu'à l'échelle macroscopique plus aucune évolution n'est observable.

2. Quotient de réaction Qr

Pour suivre l'évolution d'un système chimique à chaque instant, on définit le quotient de réaction , associé à l'équation (espèces dissoutes en solution). Il s'exprime en fonction des concentrations molaires effectives, à un instant quelconque :

avec les concentrations , , , exprimées en mol/L, chacune implicitement rapportée à la concentration standard : est donc une grandeur sans unité. Sa valeur, calculée avec les concentrations à l'état initial, est notée .

3. Espèces exclues du quotient de réaction

Certaines espèces n'apparaissent pas dans l'expression de , car leur activité vaut conventionnellement : un solide pur et le solvant en large excès, comme l'eau dans une solution aqueuse diluée. Ainsi, pour , l'eau (solvant) n'apparaît pas dans , alors qu'elle y figurerait si elle était réactif ou produit dissous dans un autre solvant, comme en estérification.

4. Constante d'équilibre K et loi d'action de masse

Lorsque le système chimique atteint l'état d'équilibre, le quotient de réaction cesse d'évoluer et se stabilise à une valeur limite, appelée constante d'équilibre, notée , associée à l'équation de la réaction à une température donnée :

Cette relation constitue la loi d'action de masse (loi de Guldberg et Waage) : à l'équilibre, le quotient de réaction est égal à la constante d'équilibre. est une grandeur sans unité qui ne dépend que de la température, et caractérise entièrement la réaction chimique considérée.

5. Propriétés de la constante d'équilibre

ne dépend ni des concentrations initiales des réactifs, ni du sens dans lequel le système évolue : seule la température la fait varier. En revanche, dépend de la façon dont l'équation est écrite : pour la réaction inverse , ; si l'on multiplie tous les coefficients d'une équation par un entier , la nouvelle constante devient .

6. Critère d'évolution spontanée d'un système chimique

Pour prévoir le sens d'évolution spontanée d'un système hors équilibre, on compare le quotient de réaction à l'état initial à la constante d'équilibre :

  • si , le système évolue dans le sens direct (sens , de la gauche vers la droite) : les concentrations des produits augmentent ;
  • si , le système évolue dans le sens indirect (sens , de la droite vers la gauche) : les concentrations des réactifs augmentent ;
  • si , le système est déjà à l'équilibre et n'évolue pas macroscopiquement.

Dans les deux premiers cas, le système évolue jusqu'à ce que rejoigne la valeur , où il atteint alors le nouvel état d'équilibre.

7. Caractère total ou limité d'une transformation

Le taux d'avancement final permet de quantifier l'état d'équilibre atteint : , où est l'avancement final (à l'équilibre) et l'avancement maximal théorique. Si est proche de (souvent associé à une constante très grande), la transformation est dite quasi-totale ; si , la transformation est limitée : réactifs et produits coexistent à l'équilibre, dans des proportions fixées par .

8. Méthode générale face à un exercice d'équilibre chimique

On écrit l'équation de la réaction, on dresse un tableau d'avancement pour exprimer les concentrations en fonction de , puis on calcule . La comparaison de à indique le sens d'évolution ; à l'équilibre, permet de déterminer l'avancement final et la composition du système.

📈 Figure clé

Exemple résolu 1 : Sens d'évolution d'un mélange équimolaire (estérification)

On mélange, sans eau ajoutée, de l'acide éthanoïque et de l'éthanol dans les proportions et , avec et (l'eau produite est ici une espèce du mélange, non un solvant en large excès). L'équation de l'équilibre est , de constante d'équilibre à la température de l'expérience.

Calcul de Qr,i : .

Comparaison : , donc le système évolue dans le sens direct : l'acide et l'alcool réagissent pour former l'ester et l'eau, jusqu'à ce que atteigne la valeur .

Exemple résolu 2 : Sens d'évolution d'un équilibre acido-basique

On considère l'équilibre , de constante d'équilibre à (l'eau, solvant, n'apparaît pas dans ). À un instant donné, on mesure , et .

Calcul de Qr : .

Comparaison : , donc le système évolue dans le sens indirect : les ions et sont consommés, et est régénéré, jusqu'au nouvel état d'équilibre.

🔑 Formules clés à retenir

الصيغ الأساسية

  • — خارج التفاعل بالنسبة لـ ، في محلول مائي ؛ مقدار بدون وحدة.
  • — قانون فعل الكتل : عند التوازن، يساوي خارج التفاعل ثابتة التوازن.
  • لا تتعلق إلا بدرجة الحرارة ؛ وهي مستقلة عن التراكيز البدئية.
  • بالنسبة للتفاعل العكسي : .
  • إذا ضربت المعادلة في : .
  • الجسم الصلب النقي والمذيب : النشاط ، ولا يظهران في تعبير .
  • تطور في المنحى المباشر (المنحى ).
  • تطور في المنحى غير المباشر (المنحى ).
  • المجموعة في حالة توازن، لا تطور.
  • — نسبة التقدم النهائي ؛ لتحول كلي، و لتحول محدود.
  • التراكيز معبر عنها بـ mol/L، منسوبة إلى .
⚠️

Astuces & Pièges à éviter

Les erreurs classiques — à lire avant les exercices !

الأخطاء الشائعة الواجب تفاديها

  • إدراج جسم صلب نقي أو المذيب في Qr : الجسم الصلب النقي والمذيب (الماء، في محلول مائي مخفف) نشاطهما الاصطلاحي يساوي ، ولا يجوز أبدا أن يظهرا في تعبير ، حتى لو ظهرا في معادلة التفاعل.
  • الخلط بين Qr و K : يمكن حساب في أي لحظة (الحالة البدئية، أو حالة وسطية، أو الحالة النهائية)، بينما ثابتة خاصة بالتفاعل، ولا تساوي إلا عندما تكون المجموعة في حالة توازن.
  • نسيان المعاملات التناسبية في الأسس : يجب رفع كل تركيز إلى قوة المعامل التناسبي الموافق له في المعادلة ؛ ونسيان أس واحد يفسد حساب أو كليا.
  • الخطأ في المنحى عند تطبيق معيار التطور : يوافق المنحى المباشر (تكون النواتج)، لا العكس ؛ فأعد دائما كتابة المعادلة بسهمها المزدوج بوضوح قبل الاستنتاج.
  • نسيان أن قلب المعادلة يغير K : إذا كتب التفاعل في المنحى الآخر، تصبح ثابتة التوازن لا ؛ وكذلك، ضرب المعادلة في يرفع إلى القوة .
  • الاعتقاد بأن K تتعلق بالكميات البدئية : لا تتعلق إلا بدرجة الحرارة ؛ فتغيير التراكيز البدئية يغير حالة التوازن المبلوغة (أي التراكيز النهائية)، لكنه لا يغير أبدا قيمة نفسها.

أسئلة شائعة

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