L’EQUILIBRE CHIMIQUE

Problématique : Comment étudier l’état d’équilibre chimique d’une réaction acido-basique à partir de la mesure du pH ?

I Réaction acide-base

C’est une réaction dans laquelle interviennent 2 couples acido-basique et avec un transfert d’un proton de l’acide de l’un des couples vers la base de l’autre.

La base est l’espèce capable de capter un proton alors que l’acide est capable de le céder.

Dans un couple l’acide se transforme en base et vice versa au cours de la réaction. HA = H⁺ + A^-.

L’eau peut- être acide dans le couple H₂O / HO^- : H₂O = H⁺ + HO^- et elle peut-être base dans le couple H₃O⁺ / H₂O : H₃O⁺ = H₂O + H⁺. Les espèces qui peuvent être acide ou base sont appelées amphotères.

II Le pH

pH = - log[H₃O⁺] Û [H₃O⁺] = 10^-pH [H₃O⁺] concentration en ( mol.L^-1 ), la formule est valable pour [H₃O⁺] < 5.10^-2 mol.L^-1.

Le pH se mesure au pHmètre. Voir p.104 et T.P.

III Avancement maximal et avancement final

1° Transformation chimique totale

Dans la réaction de l’acide chlorhydrique avec l’eau, on obtient une solution dont le pH vaut 2 pour une concentration en HCl_(g) dissoute C ( HCl ) = 10^-2 mol.L^-1.

HCl_(g) + H₂O = Cl^-_(aq) + H₃O⁺_(aq)

t = 0 ; x = 0		excès	0	0
t = tf ; x = xf		excès	[Cl^-]f =	[H3O^+]f =
x = xmax		excès	[Cl^-]max =	[H3O^+]max =

Une réaction est totale si elle a consommé totalement l’un des réactifs. Dans ce cas elle s’arrête lorsque la quantité du réactif limitant devient nulle. Son avancement atteint la valeur final x_final = x _max.

D’après le tableau d’avancement on trouve = C = 10^-2 mol.L^-1.

L’avancement final se calcule à partir des quantités de réactifs ou de produits de réaction obtenues à la fin de la réaction. Pour la réaction étudiée : pH = 2, donc [H₃O⁺]_finale = 10^-2 mol.L^-1 = .

On en déduit que x_f = x _max. La réaction a donc bien atteint son avancement maximal. Cette réaction est totale.

2° Transformation chimique non totale

Dans la réaction de l’acide éthanoïque avec l’eau, on obtient une solution dont le pH vaut 3,4 pour une concentration en CH₃COOH_(aq) dissoute C ( CH₃COOH_(aq) ) = 10^-2 mol.L^-1.

CH₃COOH_(aq) + H₂O = CH₃COO ^-_(aq) + H₃O⁺_(aq)

t = 0 ; x = 0		excès	0	0
t = tf ; x = xf		excès	[CH3COO^-] =	[H3O^+] =
x = xmax		excès	[CH3COO^-] max =	[H3O^+]max =

Une réaction est limitée si elle n’a pas consommé totalement l’un des réactifs. Dans ce cas elle s’arrête avant que la quantité de réactif limitant devienne nulle. Son avancement final x_final n’atteint pas la valeur maximal x _max , donc x_final < x _max.

D’après le tableau d’avancement on trouve = C = 10^-2 mol.L^-1.

L’avancement final se calcule à partir des quantités de réactifs ou de produits de réaction obtenues à la fin de la réaction. Pour la réaction étudiée : pH = 3,4, donc [H₃O⁺]_finale = 10^-3,4 = 4.10^-4 mol.L^-1 = .

On en déduit que x_final < x _max. La réaction n’a pas atteint son avancement maximal. Cette réaction est limitée.

3° Taux d’avancement

t = t : le taux d’avancement de la réaction, x_f : l’avancement final et m_max : l’avancement maximal. Si t = 1 la réaction est totale, si t = 0 il n’y a pas de réaction et si 0 < t < 1 la réaction n’est pas totale.

IV Etat d’équilibre d’un système chimique

De nombreuses réactions chimiques peuvent s’effectuer dans les 2 sens. Le signe = des équations traduit la conservation de la matière et de la charge sans présumer du sens. On place cependant les réactifs apportés au système chimique à gauche de l’équation et les produits à droite. Le sens gauche droite est appelé sens direct et le sens droite gauche sens inverse. Voir Act.C p.101.

Après le mélange des réactifs le système évolue vers son état d’équilibre : il est consommé plus de réactif qu’il n’en est produit par la réaction inverse. Lorsque l’avancement final est atteint, il reste inférieur à l’avancement maximal car il est produit autant de réactif par la réaction inverse qu’il en est consommé par la réaction directe. Voir p.101 Act.D et p.108 Doc.16.

L’état d’équilibre d’un système chimique est un état d’équilibre dynamique dans lequel 2 réactions inverses l’une de l’autre se produisent simultanément dont les produits et les réactifs coexistent dans des proportions constantes. Le taux d’avancement de la réaction est inférieur à 1 et les vitesses des réactions directes et inverses sont égales.