Chimie · Paramédical (ISPITS) — Kinésithérapie & rééducation

Équilibre chimique et constante 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

Un système chimique est en équilibre lorsque les vitesses de réaction directe et inverse sont égales. Le quotient de réaction $Q_r$ est défini pour une réaction $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ par : $Q_r = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}$ À l'équilibre, $Q_{r,éq} = K(T)$ , où $K$ est la constante d'équilibre qui ne dépend que de la température.

Si $K > 10^4$ , la réaction est quasi totale.
Si $K < 10^{-4}$ , la réaction est très limitée.

Méthodes à maîtriser

Calcul de $Q_r$ : Toujours utiliser les concentrations molaires effectives à l'instant $t$ (en mol/L).
Écriture de $K$ : Ne pas inclure les espèces solides ou le solvant (activité = 1).
Détermination de l'état d'équilibre : Comparer $Q_{r,i}$ (état initial) et $K$ . Si $Q_{r,i} < K$ , le système évolue dans le sens direct.

Exemples corrigés

Soit la réaction : $CH_3COOH + H_2O \rightleftharpoons CH_3COO^- + H_3O^+$ . $K = \frac{[CH_3COO^-]_{éq} \cdot [H_3O^+]_{éq}}{[CH_3COOH]_{éq}}$ . Si $[CH_3COOH]_{éq} = 0,1$ mol/L et $[CH_3COO^-]_{éq} = [H_3O^+]_{éq} = 1,3 \cdot 10^{-3}$ mol/L, alors $K = \frac{(1,3 \cdot 10^{-3})^2}{0,1} = 1,69 \cdot 10^{-5}$ .

Erreurs fréquentes

Oublier les coefficients stoechiométriques en exposant dans $Q_r$ .
Inclure l'eau dans l'expression de $K$ quand elle est solvant.
Confuser $Q_r$ (variable) et $K$ (constante).

L'essentiel du cours

Un système chimique est en équilibre lorsque les vitesses de réaction directe et inverse sont égales. Le quotient de réaction $Q_r$ est défini pour une réaction $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$ par : $$Q_r = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}$$ À l'équilibre, $Q_{r,éq} = K(T)$, où $K$ est la constante d'équilibre qui ne dépend que de la température.

Si $K > 10^4$, la réaction est quasi totale.
Si $K < 10^{-4}$, la réaction est très limitée.

Méthodes à maîtriser

Calcul de $Q_r$ : Toujours utiliser les concentrations molaires effectives à l'instant $t$ (en mol/L).
Écriture de $K$ : Ne pas inclure les espèces solides ou le solvant (activité = 1).
Détermination de l'état d'équilibre : Comparer $Q_{r,i}$ (état initial) et $K$. Si $Q_{r,i} < K$, le système évolue dans le sens direct.

Exemples corrigés

Soit la réaction : $CH_3COOH + H_2O \rightleftharpoons CH_3COO^- + H_3O^+$. $K = \frac{[CH_3COO^-]{éq} \cdot [H_3O^+]{éq}}{[CH_3COOH]{éq}}$. Si $[CH_3COOH]{éq} = 0,1$ mol/L et $[CH_3COO^-]{éq} = [H_3O^+]{éq} = 1,3 \cdot 10^{-3}$ mol/L, alors $K = \frac{(1,3 \cdot 10^{-3})^2}{0,1} = 1,69 \cdot 10^{-5}$.

Erreurs fréquentes

Oublier les coefficients stoechiométriques en exposant dans $Q_r$.
Inclure l'eau dans l'expression de $K$ quand elle est solvant.
Confuser $Q_r$ (variable) et $K$ (constante).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

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🎯 Équilibre chimique et constante d'équilibre

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La constante d'équilibre $K$ dépend de :

❓ Questions fréquentes

Kifach n7seb Qr ila kan 3ndi gaz?

Pour les gaz, on utilise la pression partielle $P_i$ à la place de la concentration $[C_i]$ .
La relation est $P_i = \frac{n_i RT}{V}$ .
L'expression devient $Q_r = \frac{P_C^c \cdot P_D^d}{P_A^a \cdot P_B^b}$ .

💡 À retenir : On utilise les pressions partielles en bars, pas en Pascals.

Pour les gaz, on utilise la pression partielle $P_i$ à la place de la concentration $[C_i]$.
La relation est $P_i = \frac{n_i RT}{V}$.
L'expression devient $Q_r = \frac{P_C^c \cdot P_D^d}{P_A^a \cdot P_B^b}$.

💡 À retenir : On utilise les pressions partielles en bars, pas en Pascals.

Wach K katbeddel ila beddelna l'etat initial?

Non, la constante d'équilibre $K$ ne dépend que de la température $T$ .

💡 À retenir : $K$ est une caractéristique thermodynamique propre à la réaction à une température donnée.

Non, la constante d'équilibre $K$ ne dépend que de la température $T$.

💡 À retenir : $K$ est une caractéristique thermodynamique propre à la réaction à une température donnée.

Chno hiya l'far9 bin Qr et K?

$Q_r$ est le quotient de réaction à n'importe quel instant $t$ .
$K$ est la valeur de $Q_r$ uniquement lorsque le système a atteint l'équilibre chimique.

💡 À retenir : $Q_r$ varie au cours du temps, $K$ est fixe pour une température donnée.

$Q_r$ est le quotient de réaction à n'importe quel instant $t$.
$K$ est la valeur de $Q_r$ uniquement lorsque le système a atteint l'équilibre chimique.

💡 À retenir : $Q_r$ varie au cours du temps, $K$ est fixe pour une température donnée.

Comment savoir dans quel sens évolue le système ?

Calculer $Q_{r,i}$ à l'instant initial.
Comparer $Q_{r,i}$ avec $K$ .
Si $Q_{r,i} < K$ , le système évolue dans le sens direct (formation des produits).
Si $Q_{r,i} > K$ , le système évolue dans le sens inverse.

💡 À retenir : Le système cherche toujours à atteindre l'état d'équilibre où $Q_r = K$ .

Calculer $Q_{r,i}$ à l'instant initial.
Comparer $Q_{r,i}$ avec $K$.
Si $Q_{r,i} < K$, le système évolue dans le sens direct (formation des produits).
Si $Q_{r,i} > K$, le système évolue dans le sens inverse.

💡 À retenir : Le système cherche toujours à atteindre l'état d'équilibre où $Q_r = K$.

Est-ce que les solides interviennent dans Qr ?

Non, l'activité d'un corps pur solide ou liquide est égale à 1. Ils n'apparaissent donc pas dans l'expression de $Q_r$ .

💡 À retenir : Seules les espèces en solution (aq) ou gazeuses (g) sont prises en compte.

Non, l'activité d'un corps pur solide ou liquide est égale à 1. Ils n'apparaissent donc pas dans l'expression de $Q_r$.

💡 À retenir : Seules les espèces en solution (aq) ou gazeuses (g) sont prises en compte.

Kifach n7seb tau (tau) f l'equilibre?

Établir le tableau d'avancement.
Exprimer $x_{éq}$ en fonction des concentrations à l'équilibre.
Calculer $x_{max}$ en supposant la réaction totale.
Faire le rapport $\tau = \frac{x_{éq}}{x_{max}}$ .

💡 À retenir : $\tau$ est sans unité et toujours inférieur ou égal à 1.

Établir le tableau d'avancement.
Exprimer $x_{éq}$ en fonction des concentrations à l'équilibre.
Calculer $x_{max}$ en supposant la réaction totale.
Faire le rapport $\tau = \frac{x_{éq}}{x_{max}}$.

💡 À retenir : $\tau$ est sans unité et toujours inférieur ou égal à 1.

La constante K peut-elle être négative ?

Non, $K$ est un rapport de concentrations (ou pressions) élevées à des puissances, elle est toujours strictement positive.

💡 À retenir : $K > 0$ toujours.

Non, $K$ est un rapport de concentrations (ou pressions) élevées à des puissances, elle est toujours strictement positive.

💡 À retenir : $K > 0$ toujours.

Pourquoi la température influence-t-elle K ?

La constante d'équilibre est liée à l'enthalpie libre standard de réaction $\Delta_rG^\circ = -RT \ln K$ . Comme $\Delta_rG^\circ$ dépend de $T$ , $K$ dépend aussi de $T$ .

💡 À retenir : Une variation de température modifie la valeur de $K$ .

La constante d'équilibre est liée à l'enthalpie libre standard de réaction $\Delta_rG^\circ = -RT \ln K$. Comme $\Delta_rG^\circ$ dépend de $T$, $K$ dépend aussi de $T$.

💡 À retenir : Une variation de température modifie la valeur de $K$.

Si K est très grande, que devient l'équilibre ?

Si $K > 10^4$ , la réaction est considérée comme totale. L'équilibre est déplacé vers la formation quasi-totale des produits.

💡 À retenir : La réaction est dite "totale" dans les exercices de chimie classique.

Si $K > 10^4$, la réaction est considérée comme totale. L'équilibre est déplacé vers la formation quasi-totale des produits.

💡 À retenir : La réaction est dite "totale" dans les exercices de chimie classique.

Est-ce que le catalyseur change la valeur de K ?

Non, le catalyseur accélère la vitesse d'atteinte de l'équilibre, mais ne modifie pas la composition finale du système à l'équilibre.

💡 À retenir : Le catalyseur n'a aucun effet sur $K$ .

Non, le catalyseur accélère la vitesse d'atteinte de l'équilibre, mais ne modifie pas la composition finale du système à l'équilibre.

💡 À retenir : Le catalyseur n'a aucun effet sur $K$.

Comment exprimer K pour une réaction inverse ?

Si une réaction a une constante $K$ , la réaction inverse a pour constante $K' = 1/K$ .

💡 À retenir : Inverser l'équation revient à inverser la constante.

Si une réaction a une constante $K$, la réaction inverse a pour constante $K' = 1/K$.

💡 À retenir : Inverser l'équation revient à inverser la constante.

L'équilibre est-il statique ?

Non, c'est un équilibre dynamique : les réactions directe et inverse continuent de se produire à la même vitesse, donc les concentrations ne changent plus.

💡 À retenir : À l'équilibre, le système semble figé, mais il est en mouvement permanent.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

On étudie la réaction en phase aqueuse : $CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O$ . À 25°C, on mélange 1 mol d'acide et 1 mol d'alcool. À l'équilibre, il reste 0,33 mol d'acide.

Calculer l'avancement final $x_{éq}$ .
Calculer la constante d'équilibre $K$ .

Exercice 1

On étudie la réaction en phase aqueuse : $CH_3COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O$. À 25°C, on mélange 1 mol d'acide et 1 mol d'alcool. À l'équilibre, il reste 0,33 mol d'acide.

Calculer l'avancement final $x_{éq}$.
Calculer la constante d'équilibre $K$.

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Exercice 2

Soit la réaction $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ . À une température donnée, les pressions partielles à l'équilibre sont : $P_{N_2} = 0,2$ bar, $P_{H_2} = 0,6$ bar, $P_{NH_3} = 0,4$ bar. Calculer $K_p$ .

Exercice 2

Soit la réaction $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$. À une température donnée, les pressions partielles à l'équilibre sont : $P_{N_2} = 0,2$ bar, $P_{H_2} = 0,6$ bar, $P_{NH_3} = 0,4$ bar. Calculer $K_p$.

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Exercice 3

Une solution contient $10^{-2}$ mol/L d'acide faible. On mesure $pH = 3,4$ . Calculer $K$ de la réaction $AH + H_2O \rightleftharpoons A^- + H_3O^+$ .

Exercice 3

Une solution contient $10^{-2}$ mol/L d'acide faible. On mesure $pH = 3,4$. Calculer $K$ de la réaction $AH + H_2O \rightleftharpoons A^- + H_3O^+$.

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