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Équilibre

AP Chimie · Sujet 7

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8:24

Équilibre

Une usine chimique au crépuscule. À l'intérieur, l'azote de l'air est transformé en ammoniaque — l'engrais qui nourrit environ la moitié des personnes vivantes aujourd'hui. Mais le…

Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés

7.1

Introduction à l'équilibre

Programme

Objectif d'apprentissage 7.1.A : Expliquer la relation entre l'occurrence d'un processus chimique ou physique réversible et l'établissement de l'équilibre, selon les observations expérimentales.

  • 7.1.A.1 De nombreux processus observables sont réversibles. Exemples : évaporation et condensation de l'eau, absorption et désorption d'un gaz, dissolution et précipitation d'un sel. Certains processus chimiques réversibles importants incluent le transfert de protons dans les réactions acide-base et le transfert d'électrons dans les réactions redox.
  • 7.1.A.2 Lorsque l'équilibre est atteint, aucun changement observable ne se produit dans le système. Les réactifs et les produits sont simultanément présents, et les concentrations ou pressions partielles de toutes les espèces restent constantes.
  • 7.1.A.3 L'état d'équilibre est dynamique. Les processus direct et inverse continuent de se produire à des vitesses égales, entraînant aucun changement net observable.
  • 7.1.A.4 Les graphiques de concentration, pression partielle ou vitesse de réaction en fonction du temps pour des réactions chimiques simples peuvent être utilisés pour comprendre l'établissement de l'équilibre chimique.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Solutions de chlorure de cobalt : les systèmes d'équilibre se déplacent lorsque les conditions changent (Le Chatelier)
Solutions de chlorure de cobalt : les systèmes d'équilibre se déplacent lorsque les conditions changent (Le Chatelier)

*Équilibre dynamique

Une réaction réversible 可逆 réactionne dans les deux sens. L'équilibre chimique 化学平衡 est atteint lorsque les vitesses directe et inverse deviennent égales, donc les concentrations cessent de varier. L'équilibre est dynamique – les deux réactions continuent, mais à des vitesses égales, donc rien ne semble changer.

Équilibre dynamique : les vitesses directe et inverse deviennent égales
Équilibre dynamique : les vitesses directe et inverse deviennent égales

Le graphique des vitesses ci-dessus explique pourquoi les concentrations se stabilisent ; ce graphique montre ce que font les concentrations — les réactifs diminuent et les produits augmentent jusqu'à ce que, une fois les vitesses égales, elles restent constantes (elles ne doivent pas être égales).

Les concentrations de réactifs et de produits changent, puis restent constantes une fois l'équilibre atteint
Les concentrations de réactifs et de produits changent, puis restent constantes une fois l'équilibre atteint
Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
reversible reaction/rɪˈvɜːsɪbl rɪˈækʃn/ 可逆反应 kě nì fǎn yìng
Chemical equilibrium/ˈkemɪkl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 化学平衡 huà xué píng héng
reaction quotient/rɪˈækʃn ˈkwəʊʃənt/ 反应商 fǎn yìng shāng
equilibrium constant/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm ˈkɒnstənt/ 平衡常数 píng héng cháng shù
Le Chatelier's principle/lə ˈtʃeɪtlɪəz ˈprɪnsɪpl/ 勒沙特列原理 lēi shā tè liè yuán lǐ
solubility product/ˌsɒljuːˈbɪlɪti ˈprɒdʌkt/ 溶度积 róng dù jī
7.2

Sens des réactions réversibles

Programme

Objectif d'apprentissage 7.2.A : Expliquer la relation entre la direction dans laquelle une réaction réversible procède et les vitesses relatives des réactions directe et inverse.

  • 7.2.A.1 Si la vitesse de la réaction directe est supérieure à celle de la réaction inverse, il y a une conversion nette de réactifs en produits. Si la vitesse de la réaction inverse est supérieure à celle de la réaction directe, il y a une conversion nette de produits en réactifs. Un état d'équilibre est atteint lorsque ces vitesses sont égales.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

À l'équilibre, les quantités de réactifs et de produits sont fixes mais généralement non égales. Si le mélange favorise les produits ou les réactifs dépend de la réaction ; on compare l'état actuel à la condition d'équilibre pour prédire le sens du déplacement.

7.3

Quotient de réaction et constante d'équilibre

Programme

Objectif d'apprentissage 7.3.A : Représenter le quotient de réaction $Q_c$ ou $Q_p$, pour une réaction réversible, et les expressions d'équilibre correspondantes $K_c = Q_c$ ou $K_p = Q_p$.

  • 7.3.A.1 Le quotient de réaction $Q_c$ décrit les concentrations relatives des espèces de réaction à tout moment. Pour les réactions en phase gazeuse, le quotient de réaction peut également être écrit en termes de pressions partielles sous la forme $Q_p$. Le quotient de réaction tend vers la constante d'équilibre telle qu'à l'équilibre $K_c = Q_c$ et $K_p = Q_p$. À titre d'exemple, pour la réaction

    $$a\,\mathrm{A} + b\,\mathrm{B} \rightleftarrows c\,\mathrm{C} + d\,\mathrm{D}$$
    la loi d'action de masse indique que l'expression d'équilibre pour $(K_c, Q_c)$ est

    • Équation : $K_c = \dfrac{[\mathrm{C}]^c [\mathrm{D}]^d}{[\mathrm{A}]^a [\mathrm{B}]^b}$

    et que pour $(K_p, Q_p)$ est

    • Équation : $K_p = \dfrac{(P_\mathrm{C})^c (P_\mathrm{D})^d}{(P_\mathrm{A})^a (P_\mathrm{B})^b}$
    • Énoncé d'exclusion : La conversion entre $K_c$ et $K_p$ ne sera pas évaluée à l'examen AP. Les étudiants doivent être conscients des différences conceptuelles et prêter attention à savoir si $K_c$ ou $K_p$ est utilisé dans une question d'examen.
    • Énoncé d'exclusion : Les calculs d'équilibre sur des systèmes où une espèce dissoute est en équilibre avec cette espèce en phase gazeuse ne seront pas évalués à l'examen AP.
  • 7.3.A.2 Le quotient de réaction n'inclut pas les substances dont les concentrations (ou pressions partielles) sont indépendantes de la quantité, telles que les solides et les liquides purs.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Le quotient de réaction 反应商 $Q$ a la même forme que l'expression d'équilibre mais utilise les concentrations actuelles :

$$Q=\frac{[\text{products}]}{[\text{reactants}]}\ \text{(each raised to its coefficient)}.$$
À l'équilibre $Q$ est égal à la constante d'équilibre 平衡常数 $K$. Les comparer prédit le sens : $Q se déplace vers l'avant (vers les produits) ; $Q>K$ se déplace vers l'arrière ; $Q=K$ signifie déjà à l'équilibre.

7.4

Calcul de la constante d'équilibre

Programme

Objectif d'apprentissage 7.4.A : Calculer $K_c$ ou $K_p$ basé sur les observations expérimentales des concentrations ou pressions à l'équilibre.

  • 7.4.A.1 Les constantes d'équilibre peuvent être déterminées à partir de mesures expérimentales des concentrations ou pressions partielles des réactifs et produits à l'équilibre.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Écrire $K$ à partir de l'équation équilibrée (les solides purs et liquides purs sont exclus). À partir des concentrations d'équilibre (ou pressions partielles pour $K_p$), substituer et calculer. $K_c$ utilise des molarités ; $K_p$ utilise des pressions.

Exemple résolu. Pour $\text{N}_2\text{O}_4\rightleftharpoons2\text{NO}_2$, les concentrations d'équilibre sont $[\text{N}_2\text{O}_4]=0.20\ \text{M}$ et $[\text{NO}_2]=0.10\ \text{M}$. Alors

$$K_c=\frac{[\text{NO}_2]^2}{[\text{N}_2\text{O}_4]}=\frac{(0.10)^2}{0.20}=0.050.$$
Le coefficient NO$_2$ de $2$ devient l'exposant ; N$_2$O$_4$ (coefficient $1$) est simplement à la première puissance.

7.5

Amplitude de la constante d'équilibre

Programme

Objectif d'apprentissage 7.5.A : Expliquer la relation entre des valeurs très grandes ou très petites de $K$ et les concentrations relatives des espèces chimiques à l'équilibre.

  • 7.5.A.1 Certaines réactions d'équilibre ont des valeurs très grandes de $K$ et se déroulent pratiquement jusqu'à leur terme. D'autres ont des valeurs très petites de $K$ et progressent à peine du tout.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

  • $K\gg 1$ : produits fortement favorisés (réaction presque complète).
  • $K\ll 1$ : réactifs favorisés (peu de réaction).
  • $K\approx 1$ : quantités significatives des deux.

La taille de $K$ indique où l'équilibre "se situe".

7.6

Propriétés de la constante d'équilibre

Programme

Objectif d'apprentissage 7.6.A : Représenter un processus multietape avec une expression d'équilibre globale, en utilisant les expressions $K$ constitutives pour chaque réaction individuelle.

  • 7.6.A.1 Lorsqu'une réaction est inversée, $K$ est inversé.
  • 7.6.A.2 Lorsque les coefficients stœchiométriques d'une réaction sont multipliés par un facteur $c$, $K$ est élevé à la puissance $c$.
  • 7.6.A.3 Lorsqu'on additionne des réactions ensemble, la $K$ de la réaction globale résultante est le produit des $K$ des réactions qui ont été additionnées.
  • 7.6.A.4 Puisque les expressions pour $K$ et $Q$ ont des formes mathématiques identiques, toutes les manipulations algébriques valides de $K$ s'appliquent également à $Q$.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

$K$ change de manière prévisible : inverser une réaction inverse $K$ ($1/K$) ; multiplier les coefficients par $n$ élève $K$ à la $n$e puissance ; additionner des réactions multiplie leurs $K$ valeurs. Seule la température modifie la valeur de $K$ elle-même.

7.7

Calcul des concentrations d'équilibre

Programme

Objectif d'apprentissage 7.7.A : Identifier les concentrations ou pressions partielles des espèces chimiques à l'équilibre basé sur les conditions initiales et la constante d'équilibre.

  • 7.7.A.1 Les concentrations ou pressions partielles des espèces à l'équilibre peuvent être prédites étant donné la réaction équilibrée, les concentrations initiales et la $K$ appropriée.
  • 7.7.A.2 Lorsque $Q < K$, la réaction se déroulera avec une consommation nette de réactifs et une formation de produits. Lorsque $Q > K$, la réaction se déroulera avec une consommation nette de produits et une formation de réactifs. Lorsque $Q = K$, le système est à l'équilibre dynamique ; les réactions directe et inverse se produisent à la même vitesse, et la proportion de réactifs et de produits reste constante.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Utiliser une table ICE (Initial, Changement, Équilibre) : remplir les quantités initiales, exprimer le changement avec $x$ en utilisant les rapports stœchiométriques, puis substituer dans l'expression $K$ et résoudre pour $x$. Quand $K$ est petit, l'approximation « $x$ est négligeable » simplifie souvent les calculs algébriques.

Exemple résolu. Pour $\text{H}_2+\text{I}_2\rightleftharpoons2\text{HI}$ avec $K_c=50$, commencer avec $0.100\ \text{M}$ chacun de H$_2$ et I$_2$. La table ICE donne les équilibres $[\text{H}_2]=[\text{I}_2]=0.100-x$ et $[\text{HI}]=2x$. Substituer :

$$K_c=\frac{(2x)^2}{(0.100-x)^2}=50\;\Rightarrow\;\frac{2x}{0.100-x}=\sqrt{50}=7.07\;\Rightarrow\;x=0.078,$$
donc $[\text{HI}]=2x=0.156\ \text{M}$. Tirer la racine carrée des deux côtés fonctionne ici car l'expression est un carré parfait.

7.8

Représentations de l'équilibre

Programme

Objectif d'apprentissage 7.8.A : Représenter un système subissant une réaction réversible par un modèle particulaire.

  • 7.8.A.1 Les représentations particulaires peuvent être utilisées pour décrire les nombres relatifs de particules de réactifs et de produits présentes avant et à l'équilibre, ainsi que la valeur de la constante d'équilibre.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Une image particulaire à l'équilibre montre un mélange fixe de particules réactives et de produits. Les graphiques de concentration vs temps s'aplatissent (jamais zéro) une fois l'équilibre atteint — les deux courbes se stabilisent au même moment.

7.9

Introduction au principe de Le Chatelier

Programme

Objectif d'apprentissage 7.9.A : Identifier la réponse d'un système à l'équilibre face à une contrainte externe, en utilisant le principe de Le Châtelier.

  • 7.9.A.1 Le principe de Le Châtelier peut être utilisé pour prédire la réponse d'un système aux contraintes telles que l'ajout ou le retrait d'une espèce chimique, un changement de température, un changement de volume/pression dans un système gazeux, ou la dilution d'un système réactionnel.
  • 7.9.A.2 Le principe de Le Châtelier peut être utilisé pour prédire l'effet qu'une contrainte aura sur des propriétés mesurables expérimentalement, telles que le pH, la température et la couleur d'une solution.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Principe de Le Chatelier

Principe de Le Chatelier 勒沙特列原理 : si vous perturbez un système à l'équilibre, il se déplace pour contrecarrer partiellement le changement. Ajouter un réactif déplace vers l'avant ; retirer un produit déplace vers l'avant ; augmenter la pression (en réduisant le volume) déplace vers le côté avec moins de moles gazeuses ; augmenter la température déplace dans le sens endothermique.

Principe de Le Chatelier : l'équilibre se déplace pour s'opposer au changement apporté
Principe de Le Chatelier : l'équilibre se déplace pour s'opposer au changement apporté
Une usine d'ammoniac : les équilibres industriels comme le procédé Haber sont favorisés par la pression, la température et les catalyseurs
Une usine d'ammoniac : les équilibres industriels comme le procédé Haber sont régis par la pression, la température et les catalyseurs
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Perturber un équilibre

Principe de Le Chatelier : un équilibre se déplace pour s'opposer à un changement. Ajoutez un réactif, modifiez la pression ou la température et observez la position de l'équilibre se déplacer.

7.10

Le Quotient Réactionnel et le Principe de Le Chatelier

Programme

Objectif d'apprentissage 7.10.A : Expliquer les relations entre $Q$, $K$ et la direction dans laquelle une réaction réversible procédera pour atteindre l'équilibre.

  • 7.10.A.1 Une perturbation d'un système à l'équilibre fait que $Q$ diffère de $K$, éloignant ainsi le système de l'équilibre. Le système réagit en ramenant $Q$ en accord avec $K$, établissant ainsi un nouvel état d'équilibre.
  • 7.10.A.2 Certaines sollicitations, telles que les changements de concentration, provoquent uniquement un changement de $Q$. Un changement de température provoque un changement de $K$. Dans les deux cas, les concentrations ou pressions partielles des espèces se redistribuent pour ramener $Q$ et $K$ à l'égalité.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Vous pouvez justifier tout déplacement selon Le Chatelier avec $Q$ face à $K$ : une perturbation modifie $Q$, et le système réagit pour ramener $Q$ vers $K$. Cette approche quantitative étaye la règle qualitative et constitue la réponse complète attendue en examen.

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Comparer Q avec K

Si le quotient de réaction $Q, la réaction directe est favorisée ; $Q>K$ favorise la réaction inverse. Perturbez le système et observez-le revenir vers $Q=K$.

7.11 7.12

Introduction aux Équilibres de Solubilité

Programme

Objectif d'apprentissage 7.11.A : Calculer la solubilité d'un sel basé sur la valeur de $K_{sp}$ pour le sel.

  • 7.11.A.1 La dissolution d'un sel est un processus réversible dont l'ampleur peut être décrite par $K_{sp}$, la constante de produit de solubilité.
  • 7.11.A.2 La solubilité d'une substance peut être calculée à partir de la $K_{sp}$ pour le processus de dissolution. Cette relation peut également être utilisée pour prédire la solubilité relative de différentes substances.
  • 7.11.A.3 Les règles de solubilité (voir 4.7.A.5) peuvent être quantitativement liées à $K_{sp}$, dans lesquelles les valeurs $K_{sp}$ $>1$ correspondent aux sels solubles.
  • 7.11.A.4 La solubilité molaire d'une ou plusieurs espèces dans une solution saturée peut être utilisée pour calculer la $K_{sp}$ d'une substance.

Objectif d'apprentissage 7.12.A : Identifier la solubilité d'un sel, et/ou la valeur de $K_{sp}$ pour le sel, en fonction de la concentration d'un ion commun déjà présent dans la solution.

  • 7.12.A.1 La solubilité d'un sel est réduite lorsqu'il est dissous dans une solution contenant déjà l'un des ions présents dans le sel. L'impact de cet « effet d'ion commun » sur la solubilité peut être compris qualitativement grâce au principe de Le Châtelier ou calculé à partir de la $K_{sp}$ pour le processus de dissolution.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Pour un sel faiblement soluble, le produit de solubilité 溶度积 $K_{sp}$ est la constante d'équilibre de sa dissolution :

$$\text{M}_a\text{X}_b(s)\rightleftharpoons a\,\text{M}^{b+}+b\,\text{X}^{a-},\qquad K_{sp}=[\text{M}^{b+}]^a[\text{X}^{a-}]^b.$$
Un $K_{sp}$ plus faible signifie une solubilité moindre. L'effet d'ion commun – ajout d'un ion déjà présent dans le sel – repousse l'équilibre vers la gauche et diminue la solubilité.

Exemple résolu. Le chlorure d'argent a un $K_{sp}=1.8\times10^{-10}$. Si sa solubilité molaire est $s$, alors $[\text{Ag}^+]=[\text{Cl}^-]=s$, ce qui donne $K_{sp}=s^2$ et

$$s=\sqrt{1.8\times10^{-10}}=1.3\times10^{-5}\ \text{M}.$$
L'ajout de NaCl (un ion commun) augmenterait $[\text{Cl}^-]$, forçant $s$ à diminuer – beaucoup moins d'AgCl se dissoudrait.

7.11 7.12

Conseils d'examen

  • À l'équilibre, les vitesses des réactions directe et inverse sont égales, mais les quantités sont généralement différentes.
  • Excluez les solides purs et les liquides purs de l'expression de $K$ ; un grand $K$ favorise les produits, un petit $K$ favorise les réactifs.
  • Appliquez Le Chatelier : ajoutez un réactif → déplacement vers l'avant ; augmentez la pression → déplacement vers le moins de moles gazeuses ; augmentez la température → déplacement dans la direction endothermique.
  • Un catalyseur ne déplace pas la position d'équilibre – il accélère uniquement l'approche de celui-ci.
  • Utilisez un tableau ICE pour les concentrations à l'équilibre, et l'approximation petite-$x$ lorsque $K$ est faible.

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