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Prépa concours Médecine · Médecine, pharmacie & dentaire

Transformations chimiques et état d'équilibre

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, le quotient de réaction $Q_r$ est défini par : $$Q_r = \frac{\prod [Produits]{eq}^{coeff}}{\prod [Réactifs]{eq}^{coeff}}$$ Pour une réaction d'équation $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$, on a $Q_r = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}$.

  • À l'équilibre, $Q_{r,eq} = K$, où $K$ est la constante d'équilibre (indépendante des concentrations initiales, dépend uniquement de la température).
  • Le taux d'avancement final $\tau = \frac{x_f}{x_{max}}$. Si $\tau < 1$, la transformation est limitée.
  • Pour un acide dans l'eau : $HA + H_2O \rightleftharpoons A^- + H_3O^+$. Le $pK_A = -\log(K_A)$.
  • Relation : $pH = pK_A + \log\left(\frac{[A^-]}{[HA]}\right)$.

Méthodes à maîtriser

  1. Calculer $Q_{r,i}$ : Comparer $Q_{r,i}$ à $K$ pour déterminer le sens d'évolution spontanée (critère d'évolution).
  2. Déterminer $\tau$ : Utiliser le tableau d'avancement et la mesure du $pH$ ($[H_3O^+] = 10^{-pH}$).
  3. Diagramme de prédominance : Savoir quelle espèce prédomine selon la valeur du $pH$ par rapport au $pK_A$.

Exemples corrigés

Exemple : Soit la réaction $CH_3COOH + H_2O \rightleftharpoons CH_3COO^- + H_3O^+$ avec $K_A = 10^{-4,75}$. Si $[CH_3COOH] = 0,1 , mol/L$ et $[CH_3COO^-] = 0,01 , mol/L$, alors $Q_r = \frac{0,01 \cdot [H_3O^+]}{0,1}$. À l'équilibre, $Q_r = K_A$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier que l'eau (solvant) n'apparaît pas dans l'expression de $Q_r$.
  • Confondre $x_f$ (avancement réel) et $x_{max}$ (avancement théorique si la réaction était totale).
  • Oublier que $K$ ne dépend que de la température.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Transformations chimiques et état d'équilibre

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La constante d'équilibre K dépend de :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que l'eau intervient toujours dans le calcul de Qr ?

Non, l'eau est le solvant dans les solutions aqueuses diluées. Par convention, son activité est égale à 1, elle n'apparaît donc pas dans l'expression du quotient de réaction $Q_r$.

💡 À retenir : Les espèces solides et le solvant (eau) ne figurent pas dans l'expression de $Q_r$.

Kifach n7seb xmax ila kano 3ndi les concentrations dyal les réactifs?
  1. Calcule la quantité de matière initiale $n_i$ de chaque réactif ($n = C \cdot V$).
  2. Suppose que chaque réactif est limitant en posant $n_i - a \cdot x_{max} = 0$.
  3. La valeur la plus petite obtenue pour $x_{max}$ est la bonne.

💡 À retenir : $x_{max}$ est la plus petite valeur obtenue en annulant les réactifs.

Comment savoir si une réaction est totale ou limitée ?
  1. Calcule l'avancement maximal $x_{max}$ en supposant la réaction totale.
  2. Détermine l'avancement final $x_f$ expérimentalement (via $pH$ ou conductimétrie).
  3. Calcule $\tau = x_f / x_{max}$. Si $\tau = 1$, elle est totale. Si $\tau < 1$, elle est limitée.

💡 À retenir : $\tau = 1$ signifie réaction totale, $\tau < 1$ signifie équilibre chimique.

wach K katbdel ila zedna lma?

Non, la constante d'équilibre $K$ ne dépend que de la température. Si tu ajoutes de l'eau, les concentrations changent, donc $Q_r$ change, mais $K$ reste constante.

💡 À retenir : $K = f(T)$ uniquement.

Pourquoi on utilise le pKa au lieu de Ka ?

Le $pK_A$ est utilisé pour manipuler des nombres plus simples (souvent entre 0 et 14) plutôt que des puissances de 10 très petites.

💡 À retenir : $pK_A = -\log(K_A)$ facilite les calculs de $pH$.

kifach n3ref chkoun li ghadi yghleb f l'équilibre?

Il faut comparer $Q_{r,i}$ (le quotient initial) avec $K$.

  1. Si $Q_{r,i} < K$, le système évolue dans le sens direct.
  2. Si $Q_{r,i} > K$, le système évolue dans le sens inverse.

💡 À retenir : Le système évolue toujours pour atteindre $Q_r = K$.

Est-ce que le pH influence la valeur de K ?

Non, le $pH$ est une conséquence de l'équilibre et de la concentration des ions oxonium, il ne modifie pas la constante $K$ qui est fixée par la température.

💡 À retenir : La température est le seul facteur modifiant $K$.

Est-ce que les solides interviennent dans Qr ?

Non, les espèces à l'état solide pur ont une activité égale à 1, tout comme le solvant. Elles n'apparaissent pas dans $Q_r$.

💡 À retenir : Seules les espèces en solution (aq) ou gazeuses (g) apparaissent dans $Q_r$.

Comment calculer le taux d'avancement final avec le pH ?
  1. On a $[H_3O^+] = 10^{-pH}$.
  2. D'après le tableau d'avancement, $x_f = [H_3O^+] \cdot V$.
  3. On calcule $x_{max}$ avec le réactif limitant.
  4. On fait le rapport $\tau = x_f / x_{max}$.

💡 À retenir : $\tau = \frac{10^{-pH} \cdot V}{x_{max}}$.

Est-ce que la réaction s'arrête quand elle atteint l'équilibre ?

Non, à l'équilibre, la réaction ne s'arrête pas au niveau microscopique. Les réactions directe et inverse continuent à la même vitesse, donc les concentrations macroscopiques restent constantes.

💡 À retenir : L'équilibre est dynamique.

wach l'avancement final xf howa bidou xmax?

Non, $x_f$ est la valeur réelle atteinte à l'équilibre, tandis que $x_{max}$ est la valeur théorique si la réaction était totale.

💡 À retenir : $x_f \leq x_{max}$.

Comment déterminer le sens d'évolution si Q{r,i} = K ?

Si $Q_{r,i} = K$, le système est déjà à l'état d'équilibre. Aucune évolution macroscopique n'est observée.

💡 À retenir : Système à l'équilibre = pas d'évolution.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On mélange un volume $V = 100 , mL$ d'une solution d'acide éthanoïque de concentration $C = 0,1 , mol/L$ avec un volume $V$ d'une solution d'éthanoate de sodium de même concentration $C$. Le $pK_A$ du couple $CH_3COOH/CH_3COO^-$ est 4,8.

  1. Calculer le quotient de réaction initial $Q_{r,i}$.
  2. Déterminer le sens d'évolution spontanée du système.
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Exercice 2

Une solution d'acide méthanoïque $HCOOH$ de concentration $C = 10^{-2} , mol/L$ a un $pH = 2,9$.

  1. Écrire l'équation de la réaction avec l'eau.
  2. Calculer le taux d'avancement final $\tau$.
  3. En déduire si la réaction est totale ou limitée.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

Soit la réaction : $Fe^{3+} + Ag \rightleftharpoons Fe^{2+} + Ag^+$. On donne $K = 0,3$. Dans un bécher, on mélange des ions $Fe^{3+}$, $Ag^+$, $Fe^{2+}$ avec des concentrations initiales respectives $10^{-2} , mol/L$, $10^{-2} , mol/L$ et $10^{-1} , mol/L$. Déterminer le sens d'évolution.

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