Physique-Chimie1ère

Équilibre chimique simplifié
Exercices corrigés

Maîtrisez l'équilibre chimique simplifié : constante d'équilibre, quotient de réaction, évolution spontanée grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(K = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}\)
Constante d'équilibre
A + B
C + D
Équilibre
Quotient de réaction
Q_r = [C]ᶜ[D]ᵈ/[A]ᵃ[B]ᵇ
Instantané
Constante d'équilibre
K = Q_r,eq
Caractéristique
Critère d'évolution
Q_r ≠ K → évolution
Direction spontanée
Exercice 1
Calculer la constante d'équilibre à partir des concentrations à l'équilibre
Exercice 2
Déterminer le quotient de réaction à un instant donné
Exercice 3
Prévoir le sens d'évolution d'un système hors équilibre
Exercice 4
Analyser l'effet de la température sur la constante d'équilibre
Exercice 5
Appliquer le principe de Le Chatelier à un changement de conditions
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Constante d'équilibre
Définition :

Constante d'équilibre : Nombre caractéristique d'une réaction chimique à une température donnée. \(K = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}\) où [X] sont les concentrations à l'équilibre.

Méthode de calcul :
  1. Écrire l'équation de la réaction
  2. Identifier les coefficients stœchiométriques
  3. Relever les concentrations à l'équilibre
  4. Appliquer la formule de la constante d'équilibre
  5. Effectuer le calcul numérique
Réaction
H₂ + I₂ ⇌ 2HI
Concentrations
[H₂] = 0.1 M, [I₂] = 0.1 M, [HI] = 0.6 M
Étape 1 : Écrire l'équation de la réaction

\(H_2 + I_2 \rightleftharpoons 2HI\)

Étape 2 : Identifier les coefficients

H₂ : coefficient 1, I₂ : coefficient 1, HI : coefficient 2

Étape 3 : Appliquer la formule de K

\(K = \frac{[HI]^2}{[H_2][I_2]}\)

Étape 4 : Substituer les valeurs

\(K = \frac{(0.6)^2}{(0.1)(0.1)} = \frac{0.36}{0.01} = 36\)

K = 36
Réponse finale :

La constante d'équilibre de la réaction H₂ + I₂ ⇌ 2HI est K = 36 à la température considérée.

Règles appliquées :

• Stœchiométrie : Les coefficients deviennent des exposants dans l'expression de K

• Concentrations : On utilise les concentrations à l'équilibre

• Constante : K ne dépend que de la température

2 Quotient de réaction
Définition :

Quotient de réaction : Rapport des concentrations instantanées élevé aux coefficients stœchiométriques. \(Q_r = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}\)

Réaction
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃
Concentrations
[N₂]=0.2, [H₂]=0.3, [NH₃]=0.1
Étape 1 : Identifier les coefficients stœchiométriques

N₂ : 1, H₂ : 3, NH₃ : 2

Étape 2 : Écrire l'expression de Q_r

\(Q_r = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3}\)

Étape 3 : Substituer les concentrations instantanées

\(Q_r = \frac{(0.1)^2}{(0.2)(0.3)^3}\)

Étape 4 : Effectuer le calcul

\(Q_r = \frac{0.01}{(0.2)(0.027)} = \frac{0.01}{0.0054} = 1.85\)

Q_r = 1.85
Réponse finale :

Le quotient de réaction à cet instant est Q_r = 1.85.

Règles appliquées :

• Instantanéité : Q_r dépend des concentrations à un instant t

• Forme : Même expression que K mais avec concentrations instantanées

• Comparaison : Comparer Q_r à K pour prévoir l'évolution

3 Sens d'évolution
Définition :

Critère d'évolution spontanée : Le système évolue spontanément dans le sens qui fait tendre Q_r vers K.

Données
Q_r = 1.85, K = 50
Sens
→
Étape 1 : Comparer Q_r et K

Q_r = 1.85 et K = 50

Donc Q_r < K

Étape 2 : Déterminer le sens d'évolution

Le système évolue dans le sens qui augmente Q_r

Cela signifie formation de produits (sens direct)

Étape 3 : Écrire le sens de la réaction

\(N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3\)

Étape 4 : Interprétation

Les réactifs (N₂ et H₂) sont consommés pour former des produits (NH₃)

Sens direct →
Réponse finale :

Le système évolue dans le sens direct (→) pour atteindre l'équilibre, car Q_r < K.

Règles appliquées :

• Comparaison : Si Q_r < K → sens direct, si Q_r > K → sens indirect

• Évolution spontanée : Le système tend toujours vers l'équilibre

• Direction : Le sens est déterminé par la nécessité d'égaliser Q_r et K

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Effet de la température
Définition :

Effet de la température : La constante d'équilibre dépend de la température selon la loi de Van't Hoff. Pour une réaction exothermique, K diminue avec la température.

Réaction
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, ΔH° < 0
Températures
T₁ < T₂
Étape 1 : Identifier le type de réaction

La synthèse de l'ammoniac est exothermique (ΔH° < 0)

Étape 2 : Appliquer le principe de Le Chatelier

Une augmentation de température favorise la réaction endothermique

Ici, la réaction inverse est endothermique

Étape 3 : Analyser l'effet sur K

À T₂ > T₁, l'équilibre est déplacé vers la gauche

Donc [produits] diminue et [réactifs] augmente

Par conséquent, K diminue

Étape 4 : Conclusion

Pour une réaction exothermique, K diminue avec la température

K(T₂) < K(T₁)
Réponse finale :

Pour la synthèse de l'ammoniac (réaction exothermique), la constante d'équilibre diminue lorsque la température augmente.

Règles appliquées :

• Réaction exothermique : ΔH° < 0, libère de la chaleur

• Effet thermique : Une augmentation de température déplace l'équilibre dans le sens endothermique

• Constante d'équilibre : Pour une réaction exothermique, K diminue avec la température

5 Principe de Le Chatelier
Définition :

Principe de Le Chatelier : Lorsqu'on perturbe un système à l'équilibre, celui-ci évolue dans le sens qui s'oppose à la perturbation.

Réaction
2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃
Perturbation
Ajout de SO₂
Étape 1 : Analyser la perturbation

On ajoute du SO₂, un réactif

Étape 2 : Appliquer le principe de Le Chatelier

Le système va évoluer pour consommer le SO₂ ajouté

Cela signifie une évolution dans le sens direct

Étape 3 : Identifier les conséquences

Le sens direct : 2SO₂ + O₂ → 2SO₃

Donc [SO₃] augmente et [O₂] diminue

Étape 4 : Nouvel équilibre

Le nouvel équilibre aura plus de SO₃ et moins de O₂ que l'équilibre initial

Sens direct →
Réponse finale :

Lorsqu'on ajoute du SO₂, le système évolue dans le sens direct pour former plus de SO₃ et consommer le réactif en excès.

Règles appliquées :

• Principe de Le Chatelier : Opposition à la perturbation

• Ajout de réactif : Favorise la formation de produits

• Retrait de produit : Favorise la formation de produits

• Ajout de produit : Favorise la formation de réactifs

Cours bien détaillé
\(Q_r = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b}, \quad K = \text{constante à } T = \text{cte}\)
Équilibre chimique
🎯
Définition : L'équilibre chimique est atteint quand les vitesses des réactions directe et indirecte sont égales.
🔄
Caractéristique : Les concentrations restent constantes mais les réactions continuent.
📊
Grandeur clé : La constante d'équilibre K, dépendante de la température.
⚖️
Critère d'évolution : Comparaison de Q_r et K pour déterminer le sens.
💡
Conseil : Toujours écrire l'équation bilan équilibrée avant de calculer K ou Q_r
🔍
Attention : Les solides purs et le solvant ne figurent pas dans les expressions de K et Q_r
⚡
Astuce : Si Q_r < K, le système évolue dans le sens direct
📋
Méthode : Utiliser un tableau d'avancement pour suivre les concentrations
✅
Vérification : Vérifier que les unités sont cohérentes dans les calculs
Étapes de résolution :
  • Équation bilan : Écrire et équilibrer la réaction
  • Identifier les espèces : Déterminer celles qui apparaissent dans K
  • Exprimer K ou Q_r : Appliquer la loi d'action de masse
  • Calculer : Substituer les valeurs numériques
  • Interpréter : Comparer Q_r à K pour le sens d'évolution
  • Appliquer Le Chatelier : Analyser les effets de perturbations
Lois fondamentales :
  • Loi d'action de masse : \(K = \prod [X_i]^{\nu_i}\) avec ν coefficients stœchiométriques
  • Critère d'évolution spontanée : Si Q_r ≠ K, le système évolue vers l'équilibre
  • Principe de Le Chatelier : Opposition aux perturbations
  • Effet de la température : Pour ΔH° < 0, K diminue avec T
  • Effet de la pression : Favorise le côté avec moins de gaz
Équilibre chimique simplifié Cinétique et évolution des réactions