Application du principe de Le Chatelier

L'importance des applications du principe de Le Chatelier

Les processus industriels, tels que la production d'engrais ou la fabrication d'acide sulfurique (H₂SO₄), sont axés sur le profit. Cela se résume au rendement par rapport au coût des intrants. Le principe de Le Chatelier est utile car il permet d'augmenter les rendements de certains produits formés lors de réactions réversibles et donc d'augmenter le profit.

Cependant, le rendement n'est pas le seul élément à prendre en compte lorsqu'il s'agit d'effectuer une réaction chimique. Par exemple, une température plus basse peut augmenter le rendement du produit désiré mais ralentir trop la vitesse de réaction pour être économiquement utile. Ou l'inverse peut être vrai - une pression ou une température plus élevée peut augmenter le rendement. Cependant, il serait coûteux de construire, de faire fonctionner et d'entretenir des usines de production capables de faire face à ces extrêmes. Lorsqu'il s'agit de choisir les conditions de réaction, le prix doit également être pris en compte. C'est pourquoi les réactions industrielles à l'équilibre utilisent souvent des conditions de compromis.

Leprincipe de Le Chatelier est important parce qu'il nous permet de peser les intrants et les extrants afin de trouver la combinaison la plus rentable de réactifs et de conditions. Sans lui, beaucoup de nos processus industriels seraient beaucoup plus inefficaces. Dans cet article, nous allons explorer quelques exemples réels d'applications du principe de Le Chatelier dans l'industrie.

Applications du principe de Le Chatelier dans l'industrie chimique

Nous allons maintenant examiner quatre exemples différents de composés formés lors de réactions industrielles qui font intervenir le principe de Le Chatelier :

• Le méthanol
• l'éthanol
• L'acide sulfurique. Cette réaction est connue sous le nom de processus de contact.
• Ammoniac. Cette réaction est connue sous le nom de procédé Haber.

Voici comment les fabriquer.

Le principe de Le Chatelier et la production de méthanol

Le méthanol est fabriqué en faisant réagir le gaz de synthèse, qui est un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène, avec un catalyseur en cuivre. Son équation est la suivante :

$$ CO(g)+2H_2(g)\Nrightleftharpoons CH_3OH(g)\qquad \NDelta H^\circ = -91 kJ mol^{-1} $$.

Tu devrais maintenant pouvoir prédire l'effet de certaines conditions sur le rendement du méthanol :

• La réaction en avant est exothermique. Cela signifie qu'une température plus basse déplace l'équilibre vers la droite et augmente le rendement en méthanol. Cependant, une température trop basse ralentit le taux de réaction, c'est pourquoi une température de compromis de 500 K est utilisée.
• La réaction en avant produit moins de moles de gaz. Cela signifie que l'augmentation de la pression déplace l'équilibre vers la droite et augmente le rendement en méthanol. Cependant, le maintien d'une pression élevée est coûteux, c'est pourquoi une pression de compromis de 10 000 kPa est utilisée.

Nous allons maintenant nous intéresser à la fabrication d'un autre alcool, l'éthanol.

Le principe de Le Chatelier et la production d'éthanol

L'éthanol est fabriqué de deux manières différentes :

• La fermentation
• Hydratation de l'éthène

Parmi les deux méthodes, l'hydratation de l'éthène est une réaction réversible, c'est pourquoi nous allons nous concentrer sur elle ici.

L'hydratation de l'éthène utilise un catalyseur à base d'acide phosphorique. Son équation est la suivante :

$$ C_2H_4(g)+H_2O(g) \rightleftharpoons C_2H_5OH(g)\quad \Delta H= -46kJ\space mol^{-1} $$.

De cette équation, nous pouvons déduire ce qui suit :

• La réaction en avant est exothermique. Cela signifie qu'une température plus basse déplace l'équilibre vers la droite et augmente le rendement en éthanol. Cependant, une température trop basse ralentit le taux de réaction, c'est pourquoi on utilise une température de compromis de 570 K.
• La réaction inverse produit moins de moles de gaz. Cela signifie que l'augmentation de la pression déplace l'équilibre vers la droite et augmente le rendement de l'éthanol. Cependant, le maintien d'une pression élevée est coûteux, c'est pourquoi une pression de compromis de 6 500 kPa est utilisée.
• L'ajout d'un excès de vapeur déplace l'équilibre vers la droite et augmente le rendement de l'éthanol. et augmente le rendement de l'éthanol. Cependant, une trop grande quantité de vapeur dilue le catalyseur et ralentit donc la vitesse de réaction. Au lieu de cela, l'éthanol est éliminé au fur et à mesure de sa formation, ce qui diminue sa concentration et favorise donc la réaction en avant, et l'éthène et la vapeur sont recyclés de façon répétée sur le catalyseur.

Le principe de Le Chatelier et le processus de contact

Un autre exemple du principe de Le Chatelier est la production industrielle d'acide sulfurique. Ce processus s'appelle le processus de contact et se déroule en plusieurs étapes. Tout d'abord, le dioxyde de soufre est transformé en trioxyde de soufre. Ce processus utilise un catalyseur à base d'oxyde de vanadium (V) et il s'agit d'une réaction réversible :

$$ 2SO_2(g)+O_2(g)\Nrightleftharpoons 2SO_3(g)\Nquad \NDelta H= \space -196\space kJ\space mol^{-1} $$

Le trioxyde de soufre est ensuite transformé en acide sulfurique. Nous le dissolvons d'abord dans une petite quantité d'acide sulfurique, puis nous faisons réagir la solution obtenue avec de l'eau :

$$ H_2SO_4(l)+SO_3(g)\rightarrow H_2S_2O_7(l) $$

$$ H_2S_2O_7(l)+H_2O(l)\rightarrow 2H_2SO_4(l) $$

Comme pour les réactions réversibles que nous avons étudiées jusqu'à présent, nous pouvons modifier les conditions de la première réaction afin d'augmenter le rendement en trioxyde de soufre. Cela augmente à son tour le rendement de l'acide sulfurique.

• La réaction directe est exothermique. Cela signifie qu'une température plus basse déplace l'équilibre vers la droite et augmente le rendement en trioxyde de soufre. Cependant, une température trop basse ralentit le taux de réaction, c'est pourquoi une température de compromis de 670 K est utilisée.
• La réaction inverse produit moins de moles de gaz. Cela signifie que l'augmentation de la pression déplace l'équilibre vers la droite et augmente le rendement en trioxyde de soufre. Cependant, le maintien d'une pression élevée est coûteux, c'est pourquoi une pression de compromis de 200 kPa est utilisée (ce qui correspond à 2 atm).
• L'ajout d'un excès d'oxygène déplace l'équilibre vers la droite et augmente le rendement en trioxyde de soufre. Cependant, l'ajout d'une trop grande quantité d'oxygène diminue la concentration de dioxyde de soufre, ce qui réduit la vitesse de réaction - l'oxygène n'a rien pour réagir ! Il a été démontré qu'un rapport de 1:1 entre le dioxyde de soufre et l'oxygène produisait le meilleur rendement.

Une fois le trioxyde de soufre produit, il peut être transformé en acide sulfurique.

Enfin, examinons la production d'ammoniac.

Le principe de Le Chatelier et le procédé Haber

L'ammoniac est fabriqué au cours d'une réaction réversible appelée procédé Haber, à l'aide d'un catalyseur en fer:

$$ N_2(g)+3H_2(g)\Nrightleftharpoons 2NH_3(g)\Nquad \NDelta H=\space -92\space kJ\space mol^{-1} $$.

Nous pouvons affirmer ce qui suit :

• La réaction en avant est exothermique. Cela signifie qu'une température plus basse déplace l'équilibre vers la droite et augmente le rendement en ammoniac. Cependant, une température trop basse ralentit la vitesse de réaction, c'est pourquoi on utilise une température de compromis de 670 K.
• La réaction inverse produit moins de moles de gaz. Cela signifie que l'augmentation de la pression déplace l'équilibre vers la droite et augmente le rendement en ammoniac. Cependant, le maintien d'une pression élevée est coûteux, c'est pourquoi on utilise une pression de compromis de 20 000 kPa.

Comme pour la production d'éthanol, le produit est éliminé et les gaz d'azote et d'hydrogène qui n'ont pas réagi sont recyclés sur le catalyseur. Cela permet d'augmenter le rendement.

Comparaison des applications du principe de Le Chatelier

Voici un tableau pratique qui t'aidera à comparer les conditions nécessaires à la production de méthanol, d'éthanol, d'acide sulfurique et d'ammoniac. En ce qui concerne la production d'acide sulfurique dans le procédé Contact, nous n'avons inclus que la partie réversible de la réaction afin de garder les choses simples.