Physique-Chimie · 2ème Année Bac — Sciences et Technologies Mécaniques
Transformations chimiques s'effectuant dans les deux sens
Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.
📘 Fiche de cours
L'essentiel du cours
Dans une transformation chimique s'effectuant dans les deux sens, la réaction ne devient pas totale. Le système atteint un état d'équilibre où les réactifs et les produits coexistent.
Le taux d'avancement final $\tau$ est défini par : $\tau = \frac{x_{f}}{x_{max}}$.
Si $\tau < 1$, la réaction est limitée (non totale).
Le quotient de réaction $Q_r$ pour une réaction $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ est :
$$Q_r = \frac{[C]^{c}{eq} \cdot [D]^{d}{eq}}{[A]^{a}{eq} \cdot [B]^{b}{eq}}$$
(Les concentrations sont exprimées en $mol \cdot L^{-1}$).
La constante d'équilibre $K$ est la valeur du quotient de réaction à l'équilibre : $K = Q_{r,eq}$. Elle ne dépend que de la température.
Méthodes à maîtriser
Calculer $x_{max}$ : Déterminer le réactif limitant à partir de l'équation bilan et des quantités de matière initiales.
Déterminer $x_f$ : Utiliser une mesure expérimentale (pH-mètre, conductimètre). Par exemple, si $n(H_3O^+)_f = [H_3O^+]_f \cdot V$, alors $x_f = n(H_3O^+)_f$.
Calculer $Q_r$ : Toujours écrire l'expression littérale avant de remplacer par les valeurs numériques.
Exemples corrigés
Soit la réaction : $CH_3COOH(aq) + H_2O(l) \rightleftharpoons CH_3COO^-(aq) + H_3O^+(aq)$.
Pour une solution d'acide éthanoïque de concentration $C = 10^{-2} mol \cdot L^{-1}$ et $pH = 3,4$ :
🎯 Transformations chimiques s'effectuant dans les deux sens
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Le taux d'avancement final $\tau$ est égal à :
❓ Questions fréquentes
Qu'est-ce qu'une réaction limitée ?
Une réaction est dite limitée lorsque, après un temps suffisamment long, les réactifs ne sont pas totalement consommés. Le système atteint un état d'équilibre chimique où les réactifs et les produits sont présents simultanément.
💡 À retenir : Une réaction limitée a un taux d'avancement final $\tau < 1$.
Est-ce que la constante d'équilibre K change si on ajoute de l'eau ?
Non. La constante d'équilibre $K$ est une grandeur thermodynamique qui dépend exclusivement de la température. Si tu modifies la concentration en ajoutant de l'eau (dilution), le système évolue pour retrouver un nouvel état d'équilibre, mais la valeur de $K$ reste identique.
💡 À retenir : $K = f(T)$ uniquement.
Kifach n7seb xmax ila kan 3ndi 2 dyal l-mo3atil?
Pour trouver $x_{max}$, tu dois comparer les quantités de matière initiales divisées par leurs coefficients stoechiométriques respectifs :
Calcule $n_1/a$ et $n_2/b$.
La plus petite valeur correspond au réactif limitant.
$x_{max}$ est égal à cette valeur minimale.
💡 À retenir : Le réactif limitant est celui qui s'épuise en premier.
Pourquoi on ne met pas l'eau dans l'expression de Qr ?
Dans les solutions aqueuses diluées, l'eau est le solvant. Sa concentration est très grande par rapport aux autres espèces et reste pratiquement constante au cours de la réaction. Par convention, son activité est prise égale à 1.
💡 À retenir : Le solvant n'intervient pas dans le quotient de réaction.
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$x_{max}$ est l'avancement théorique maximal si la réaction était totale (consommation totale du réactif limitant). $x_f$ est l'avancement réel mesuré expérimentalement à l'équilibre.
💡 À retenir : $x_f \leq x_{max}$.
Est-ce que le pH change la valeur de K ?
Le pH est une conséquence de l'équilibre chimique. Si tu changes le pH en ajoutant un acide ou une base, tu déplaces l'équilibre (le système réagit), mais la constante $K$ ne change pas car la température est restée constante.
💡 À retenir : Seule une variation de température modifie $K$.
Wash l-mou3adala li fiha s-sahm ra hiya li limitée ?
Oui, le symbole $\rightleftharpoons$ (double flèche) indique que la réaction se déroule dans les deux sens et qu'elle est limitée. Une réaction totale est notée avec une seule flèche $\rightarrow$.
💡 À retenir : Double flèche = équilibre chimique.
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Tu calcules le taux d'avancement final $\tau = x_f / x_{max}$.
Si $\tau = 1$, la réaction est totale.
Si $\tau < 1$, la réaction est limitée.
💡 À retenir : $\tau < 1$ signifie réaction limitée.
Est-ce que K peut être négatif ?
Non, la constante d'équilibre $K$ est un rapport de concentrations (ou d'activités), elle est toujours positive.
💡 À retenir : $K > 0$.
Si on change la pression, est-ce que K change ?
Pour les réactions en phase aqueuse (au programme), la pression a une influence négligeable sur l'équilibre. $K$ ne dépend que de la température.
💡 À retenir : $K$ est indépendant de la pression pour les solutions aqueuses.
Est-ce que les produits peuvent redevenir des réactifs ?
Oui, c'est justement le principe de la réaction limitée. Les produits formés peuvent réagir entre eux pour redonner les réactifs initiaux. C'est ce qu'on appelle la réaction inverse.
💡 À retenir : Le système est en équilibre dynamique.
Comment savoir si le système est à l'équilibre ?
Le système est à l'équilibre quand les concentrations des espèces chimiques ne varient plus au cours du temps. À cet instant, le quotient de réaction $Q_r$ est égal à la constante d'équilibre $K$.
💡 À retenir : À l'équilibre, $Q_{r,eq} = K$.
✍️ Exercices type examen national
Exercice 1
On mélange un volume $V = 100 mL$ d'acide éthanoïque de concentration $C = 0,1 mol \cdot L^{-1}$ avec de l'eau. Le pH de la solution est 2,9.
Écrire l'équation de la réaction.
Calculer $x_{max}$ et $x_f$.
Calculer le taux d'avancement final $\tau$. La réaction est-elle totale ?
Soit la réaction : $NH_3(aq) + H_2O(l) \rightleftharpoons NH_4^+(aq) + HO^-(aq)$.
À l'équilibre, dans un volume $V=1L$, on a : $[NH_3]{eq} = 0,09 mol \cdot L^{-1}$, $[NH_4^+]{eq} = 10^{-3} mol \cdot L^{-1}$ et $[HO^-]_{eq} = 10^{-3} mol \cdot L^{-1}$.
Calculer la constante d'équilibre $K$ de cette réaction.
On étudie l'équilibre : $A + B \rightleftharpoons C + D$. Initialement, on introduit 1 mol de A et 1 mol de B dans un volume de 1L. À l'équilibre, il reste 0,2 mol de A.
Dans une transformation chimique s'effectuant dans les deux sens, la réaction ne devient pas totale. Le système atteint un état d'équilibre où les réactifs et les produits coexistent.
Le taux d'avancement finalτ est défini par : τ=xmaxxf.
Si τ<1, la réaction est limitée (non totale).
Le quotient de réactionQr pour une réaction aA+bB⇌cC+dD est :
Qr=[A]eqa⋅[B]eqb[C]eqc⋅[D]eqd
(Les concentrations sont exprimées en mol⋅L−1).
La constante d'équilibreK est la valeur du quotient de réaction à l'équilibre : K=Qr,eq. Elle ne dépend que de la température.
Méthodes à maîtriser
Calculer xmax : Déterminer le réactif limitant à partir de l'équation bilan et des quantités de matière initiales.
Déterminer xf : Utiliser une mesure expérimentale (pH-mètre, conductimètre). Par exemple, si n(H3O+)f=[H3O+]f⋅V, alors xf=n(H3O+)f.
Calculer Qr : Toujours écrire l'expression littérale avant de remplacer par les valeurs numériques.
Exemples corrigés
Soit la réaction : CH3COOH(aq)+H2O(l)⇌CH3COO−(aq)+H3O+(aq).
Pour une solution d'acide éthanoïque de concentration C=10−2mol⋅L−1 et pH=3,4 :
Oublier que l'eau, si elle est solvant, n'apparaît pas dans l'expression de Qr.
Confondre Qr (valeur à tout instant) et K (valeur à l'équilibre).
Utiliser des concentrations initiales au lieu des concentrations à l'équilibre pour calculer K.
Le taux d'avancement final τ est égal à :
xmax/xf
xf/xmax
xf⋅xmax
xf+xmax
Une réaction est dite limitée lorsque, après un temps suffisamment long, les réactifs ne sont pas totalement consommés. Le système atteint un état d'équilibre chimique où les réactifs et les produits sont présents simultanément.
💡 À retenir : Une réaction limitée a un taux d'avancement final τ<1.
Non. La constante d'équilibre K est une grandeur thermodynamique qui dépend exclusivement de la température. Si tu modifies la concentration en ajoutant de l'eau (dilution), le système évolue pour retrouver un nouvel état d'équilibre, mais la valeur de K reste identique.
💡 À retenir : K=f(T) uniquement.
Pour trouver xmax, tu dois comparer les quantités de matière initiales divisées par leurs coefficients stoechiométriques respectifs :
Calcule n1/a et n2/b.
La plus petite valeur correspond au réactif limitant.
xmax est égal à cette valeur minimale.
💡 À retenir : Le réactif limitant est celui qui s'épuise en premier.
xmax est l'avancement théorique maximal si la réaction était totale (consommation totale du réactif limitant). xf est l'avancement réel mesuré expérimentalement à l'équilibre.
💡 À retenir : xf≤xmax.
Le pH est une conséquence de l'équilibre chimique. Si tu changes le pH en ajoutant un acide ou une base, tu déplaces l'équilibre (le système réagit), mais la constante K ne change pas car la température est restée constante.
💡 À retenir : Seule une variation de température modifie K.
Oui, le symbole ⇌ (double flèche) indique que la réaction se déroule dans les deux sens et qu'elle est limitée. Une réaction totale est notée avec une seule flèche →.
💡 À retenir : Double flèche = équilibre chimique.
Tu calcules le taux d'avancement final τ=xf/xmax.
Si τ=1, la réaction est totale.
Si τ<1, la réaction est limitée.
💡 À retenir : τ<1 signifie réaction limitée.
Non, la constante d'équilibre K est un rapport de concentrations (ou d'activités), elle est toujours positive.
💡 À retenir : K>0.
Pour les réactions en phase aqueuse (au programme), la pression a une influence négligeable sur l'équilibre. K ne dépend que de la température.
💡 À retenir : K est indépendant de la pression pour les solutions aqueuses.
Le système est à l'équilibre quand les concentrations des espèces chimiques ne varient plus au cours du temps. À cet instant, le quotient de réaction Qr est égal à la constante d'équilibre K.
💡 À retenir : À l'équilibre, Qr,eq=K.
Exercice 1
On mélange un volume V=100mL d'acide éthanoïque de concentration C=0,1mol⋅L−1 avec de l'eau. Le pH de la solution est 2,9.
Écrire l'équation de la réaction.
Calculer xmax et xf.
Calculer le taux d'avancement final τ. La réaction est-elle totale ?
Exercice 2
Soit la réaction : NH3(aq)+H2O(l)⇌NH4+(aq)+HO−(aq).
À l'équilibre, dans un volume V=1L, on a : [NH3]eq=0,09mol⋅L−1, [NH4+]eq=10−3mol⋅L−1 et [HO−]eq=10−3mol⋅L−1.
Calculer la constante d'équilibre K de cette réaction.
Exercice 3
On étudie l'équilibre : A+B⇌C+D. Initialement, on introduit 1 mol de A et 1 mol de B dans un volume de 1L. À l'équilibre, il reste 0,2 mol de A.