En tant qu'entraîneur d'une équipe sportive, il t'arrive de faire des remplacements pendant un match. Pour chaque joueur qui sort du terrain, tu en envoies un autre pour le remplacer. Globalement, cela signifie que le nombre de joueurs sur le terrain et le nombre de joueurs sur le banc de touche restent les mêmes.
Ces chiffres ne sont pas nécessairement égaux - tu peux avoir plus de joueurs sur le terrain que de joueurs assis sur le banc. Cependant, les chiffres ne changent pas, ce qui signifie que le rapport entre eux ne change pas non plus. C'est une bonne analogie pour la constante d'équilibre K.
As-tu déjà abordé les concepts suivants, la loi d'action de masse, les coefficients stœchiométriques ? Dans ce résumé de cours, nous allons les expliquer afin de mieux comprendre la notion d'équilibre chimique.
- Ce résumé de cours porte sur la constante d'équilibre K en chimie.
- Nous définirons l'équilibre chimique, loi d'action de masse, coefficients stœchiométriques, avant d'examiner les différents types de constantes d'équilibre.
- Ensuite, nous apprendrons l'expression de la constante d'équilibre, expression de \( K_c \) , expression de \( K_p \) et l'effet de la température sur la constante d'équilibre.
- Enfin, nous découvrirons le calcul de K et pourquoi la constante d'équilibre n'a pas d'unité.
Qu'est-ce qu'un équilibre chimique ?
L'équilibre chimique est un état d'une réaction chimique dans lequel la vitesse de réaction en avant et en arrière est égale et les concentrations des réactifs et des produits ne changent pas. Il est également connu sous le nom d'équilibre dynamique.
De même, dans une réaction réversible à l'équilibre chimique \( réactifs \rightleftharpoons produits \) , certains réactifs deviennent des produits et certains produits deviennent des réactifs, mais il n'y a pas de changement notable dans les concentrations de réactifs ou de produits. Les doubles flèches indiquent que la réaction est réversible, c'est-à-dire que les réactifs peuvent devenir des produits et que les produits peuvent devenir des réactifs.
C'est quoi la loi d'action de masse ?
La loi d'action de masse stipule que la vitesse d'une réaction chimique est proportionnelle aux masses actives des substances qui réagissent à une température constante.
Les masses actives sont des substances qui réagissent activement dans une réaction chimique.
La loi d'action de masse est importante, car elle permet aux chimistes de déterminer une constante d'équilibre pour les réactions réversibles. Cette constante permet de prédire les quantités de chaque masse active à l'équilibre chimique.
Dans une bouteille de soda fermée, il y a une interconversion constante entre l'acide carbonique \( H_{2}CO_{3} \) , le bicarbonate \( HCO_{3}^{-} \) et le gaz carbonique \( CO_{2} \) . Comme les trois substances réagissent, elles constituent des masses actives dans la réaction. Lorsque le bouchon de la bouteille de soda est retiré, le dioxyde de carbone gazeux quitte continuellement le liquide. Une fois qu'une molécule de dioxyde de carbone a quitté le liquide, elle n'est plus une masse active et n'affecte donc plus la vitesse de réaction selon la loi de l'action de masse.
Loi d'action de masse : Équation
La loi d'action de masse met en relation les coefficients de réaction stœchiométriques et les concentrations des réactifs et des produits. L'équation chimique générique utilisée pour décrire la loi d'action de masse dans l'équation de loi d'action de masse est :
$$ aA +bB \rightarrow cC + dD $$
Dans l'équation précédente, \( A \) et \( B \) sont des réactifs, \( C \) et \( D \) sont des produits, et \( a \) , \( b \) , \( c \) et \( d \) sont leurs coefficients stœchiométriques respectifs.
Stœchiométrie
La stœchiométrie est le rapport entre les produits et les réactifs dans une réaction chimique.
C'est quoi les coefficients stœchiométriques ?
Les coefficients stœchiométriques sont les chiffres précédant un élément/composé qui indiquent le nombre de moles présentes. Ils indiquent le rapport entre les réactifs et les produits.
État d’équilibre chimique
Si tu laisses une réaction réversible dans un système fermé, elle finira par atteindre un état d'équilibre dynamique. À ce stade, la vitesse de la réaction en avant est égale à la vitesse de la réaction en arrière et les concentrations des réactifs et des produits ne changent pas. Cela signifie que le rapport entre les quantités de réactifs et de produits ne change pas. On appelle ce rapport la constante d'équilibre.
La constante d'équilibre K est une valeur qui nous indique les quantités relatives de réactifs et de produits dans un système à l'équilibre.
Comment la constante d'équilibre est influencée par la température ?
À une certaine température, la constante d'équilibre d'une réaction réversible est toujours la même. Après tout, il s'agit d'une constante ! Quelle que soit la quantité de réactifs ou de produits que tu utilises au départ, tu obtiendras toujours le même rapport. Cependant, change la température et tu changeras la constante d'équilibre.
La constante d'équilibre est spécifique à une certaine réaction à une certaine température. En revanche, des facteurs tels que la concentration, la pression et la présence de catalyseurs n'ont aucun effet sur la constante d'équilibre.
Les constantes d'équilibre changent s'il existe un changement de la température du système. La raison de ce fait est fondée sur la chaleur en jeu dans un système chimique. Étant donné que la condition d'équilibre est celle dans laquelle ni la réaction vers l'avant (du réactif vers les produits) ni la réaction vers l'arrière (des produits vers les réactifs) ne sont favorisées, un changement de la température du système impliquera le gain ou la libération de chaleur et donc l'un des mouvements (la réaction allant vers les produits ou allant vers les réactifs) sera affecté. Cela produira un changement dans la concentration des réactifs et des produits et donc une nouvelle constante d'équilibre K sera établie.
En considérant le changement de température, si la réaction vers l'avant est exothermique, l'augmentation de la température diminue la valeur de la constante d'équilibre (cela signifie que la réaction se déplace vers le côté des réactifs). Une augmentation de la valeur de la constante d'équilibre sera observée si l'augmentation de la température se produit dans une réaction endothermique directe. Inversement, si la température diminue dans un système exothermique direct, les produits sont favorisés et la constante d'équilibre augmente. L'inverse se produira si la réaction est endothermique directe.
Types de constantes d'équilibre
Il existe plusieurs types de constantes d'équilibre K. Elles mesurent toutes les quantités d'espèces dans différents systèmes de réactions réversibles :
- \( K_c \) est la constante d'équilibre la plus courante. Elle mesure les concentrations des espèces aqueuses ou gazeuses dans une réaction réversible à l'équilibre.
- \( K_p \) est utilisée pour les équilibres gazeux et mesure les pressions partielles des espèces gazeuses dans une réaction réversible à l'équilibre.
- \( K_a \) utilise la concentration pour mesurer le degré d'ionisation d'un acide faible à l'équilibre.
- \( K_b \) utilise la concentration pour mesurer le degré d'ionisation d'une base faible à l'équilibre.
- \( K_e \) mesure le degré d'ionisation de l'eau à l'équilibre.
Expressions de la constante d'équilibre
Maintenant que nous avons appris ce qu'est la constante d'équilibre K et que nous avons présenté certains des différents types de constantes d'équilibre, examinons son expression. Nous allons commencer par l'expression de \( K_c \) , car c'est probablement la constante d'équilibre que tu utiliseras le plus.
Expression de \( K_c \)
Prenons la réaction hypothétique,
$$ aA + bB \rightleftharpoons cC + dD $$
Ici, les lettres majuscules représentent les différentes espèces impliquées tandis que les lettres minuscules représentent leurs coefficients stœchiométriques dans l'équation équilibrée. Pour la réaction ci-dessus, \( K_c \) ressemble à ceci :
\( K_c = \frac{[C]_{éq}^{c}[D]_{éq}^{d}}{[A]_{éq}^{a}[B]_{éq}^{b}} \)
Fig. 1- Expression de la constante d'équilibre Kc.
Tu es confus ? Essayons de comprendre :
- Les crochets indiquent la concentration d'une espèce.
- L'indice \( éq \) indique que nous prenons cette mesure à l'équilibre. Par conséquent, \( [A]_éq \) signifie la concentration de l'espèce \( A \) à l'équilibre.
- Les lettres minuscules en exposant sont des exposants basés sur les coefficients stœchiométriques des espèces dans l'équation chimique équilibrée. Par conséquent, \( [A]_{éq}^{a} \) signifie la concentration de l'espèce \( A \) à l'équilibre, élevée à la puissance du nombre de moles de \( A \) dans l'équation équilibrée.
- Globalement, le numérateur représente les concentrations à équilibre des produits, portées à la puissance de leurs coefficients stœchiométriques, puis multipliées ensemble. Le dénominateur représente les concentrations à l'équilibre des réactifs, élevées à la puissance de leurs coefficients stœchiométriques, puis multipliées ensemble. Pour trouver \( K_c \) , il suffit de diviser le numérateur par le dénominateur.
Expression \( K_p \)
Le \( K_p \) est similaire au \( K_c \) . Cependant, au lieu de mesurer la concentration des espèces aqueuses ou gazeuses à l'équilibre, elle mesure la pression partielle des espèces gazeuses à l'équilibre.
La pression partielle est la pression qui serait exercée par un gaz dans un système s'il occupait seul le même volume. On la trouve en multipliant la fraction molaire du gaz par la pression totale du système.
L'expression de \( K_p \) est très similaire à celle de \( K_c \) . Il suffit d'effectuer un changement simple : chaque fois que tu vois la concentration à l'équilibre dans l'expression de \( K_c \) , remplace-la par la pression partielle à l'équilibre pour trouver une expression de \( K_p \) . Par exemple, reprenons notre réaction générique :
$$ aA_{(g)} + bB_{(g)} \rightleftharpoons cC_{(g)} + dD_{(g)} $$
L'expression de \( K_p \) est la suivante :
$$ K_p = \frac{(P_C)_{éq}^{c}(P_D)_{éq}^{d}}{(P_A)_{éq}^{a}(P_B)_{éq}^{b}} $$
Encore une fois, décomposons-la :
- \( P \) représente la pression partielle d'une espèce.
- L'indice \( éq \) indique que nous prenons cette mesure à l'équilibre. Par conséquent, \( (P_A)_éq \) signifie la pression partielle de l'espèce \( A \) à l'équilibre.
- Les lettres minuscules en exposant sont des exposants basés sur les coefficients stœchiométriques des espèces dans l'équation chimique équilibrée. Par conséquent, \( (P_A)_{éq}^{a} \) signifie la pression partielle d'équilibre de l'espèce \( A \) , élevée à la puissance du nombre de moles de \( A \) dans l'équation équilibrée.
- Globalement, le numérateur représente les pressions partielles d'équilibre des produits, portées à la puissance de leurs coefficients stœchiométriques , puis multipliées ensemble. Le dénominateur représente les pressions partielles d'équilibre des réactifs, élevées à la puissance de leurs coefficients stœchiométriques , puis multipliées ensemble. Pour trouver \( K_p \) , il suffit de diviser le numérateur par le dénominateur.
Constante d'équilibre : Unité
Pour terminer ce résumé de cours, découvrons l'unité de la constante d'équilibre. C'est assez simple, en fait : aucune des constantes d'équilibre n'a d'unité.
Afin de comprendre pourquoi la constante d'équilibre K n'a pas d'unité, considérons \( K_c \) . Lorsque nous écrivons la concentration d'une espèce particulière à l'équilibre, nous donnons en fait son activité de concentration. Il s'agit de sa concentration par rapport à la concentration standard de l'espèce. Nous trouvons l'activité de concentration en divisant la concentration de l'espèce, généralement en unités \( M \) , par sa concentration standard de \( 1 \ M \) . Tu peux voir que les unités s'annulent - il y a un \( M \) en haut et un \( M \) en bas. Il ne nous reste donc qu'une constante sans unité pour l'activité de notre espèce. Comme aucune des valeurs de \( K_c \) n'a d'unité, \( K_c \) n'en a pas non plus.
C'est une histoire similaire pour \( K_p \) . \( K_p \) utilise en fait l'activité de la pression, et pas simplement la pression partielle. Celle-ci est définie comme la pression partielle comparée à la pression standard. Une fois encore, les unités s'annulent, ce qui nous laisse avec une simple constante. Comme aucune des valeurs de \( K_p \) n'a d'unité, \( K_p \) n'en a pas non plus.
Comment calculer la constante d'équilibre K ?
Pour calculer K, il suffit de suivi les étapes suivantes :
- Lis les informations données et note les concentrations d'équilibre indiquées ;
- Introduis ces valeurs dans l'expression de la constante d'équilibre en faisant attention aux exposants appropriés, et calcule la constante d'équilibre.
L'expression de la constante d'équilibre K à calculer ici est le rapport familier "produits-sur-réactifs" où chaque facteur impliqué est numériquement égal à la concentration molaire de la substance, qu'elle soit gazeuse ou aqueuse. (Bien entendu, les facteurs associés aux solides ou aux liquides sont fixés à \( 1 \)).
Par exemple, si on laisse tomber un morceau de craie (carbonate de calcium) dans un bécher d'acide chlorhydrique, la réaction et l'expression de sa constante d'équilibre \( K_c \) sont les suivantes :
$$ CaCO_{3(s)} + 2HCl_{(aq)} \rightleftharpoons CaCl_{2(aq)} + CO_{2(g)} + H_{2}O_{(l)} $$
$$ K_c = \frac{[CaCl_2][CO_2](1)}{(1)[HCl]^{2}} $$
La notation entre crochets est définie comme la concentration de la substance \( en \frac{mol}{L} \)
divisé par \( 1 \frac{mol}{L} \)
Les unités s'annulent, ce qui fait que les facteurs des crochets sont des nombres sans unité.
Constante d'équilibre K - Points clés
- L'équilibre chimique est un état d'une réaction chimique dans lequel la vitesse de réaction en avant et en arrière est égale et les concentrations des réactifs et des produits ne changent pas.
- La constante d'équilibre K est une valeur qui nous indique les quantités relatives de réactifs et de produits dans un système à l'équilibre.
- La constante d'équilibre est spécifique à une certaine réaction à une certaine température.
- La loi d'action de masse permet de déterminer la constante d'équilibre pour les réactions réversibles.
- Les coefficients stœchiométriques sont les chiffres précédant un élément/composé qui indiquent le nombre de moles présentes.
- Les types de constantes d'équilibre incluent \( K_c \) , \( K_p \) , \( K_a \) et \( K_b \) :
- Nous pouvons représenter les réactions à l'aide de l'équation générique : \( aA + bB \rightleftharpoons cC + dD \)
- Pour cette réaction, \( K_c = \frac{[C_{éq}]^{a}[D_{éq}]^{d}}{[A_{éq}]^{b}[B_{éq}]^{b}} \)
- Pour la même réaction, \( K_p = \frac{(P_C)_{éq}^{c}(P_D)_{éq}^{d}}{(P_A)_{éq}^{a}(P_B)_{éq}^{b}} \)
- La constante d'équilibre K n'a pas d'unité.
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