Les équilibres chimiques : chimie 5e secondaire

Une réaction complète consomme entièrement au moins un de ses réactifs. Une réaction limitée à un équilibre n'en consomme aucun complètement : les réactions directe et inverse se poursuivent à la même vitesse et les concentrations ne varient plus.

Au jury de la Fédération Wallonie-Bruxelles, ce chapitre fait partie de l'UAA 6 de chimie de l'examen de sciences du CESS. Entraîne-toi avec l'examen blanc de sciences corrigé, au format du jury.

Compétences visées

• Prévoir le sens d'évolution d'une réaction réversible.

Équilibres homogènes seulement ; la notion de concentration est élargie aux gaz (WBE 478).

Réactions complètes et réactions limitées

À connaître

• réaction complète : $\ce{Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2}$
• réaction limitée : $\ce{Fe^3+(aq) + SCN-(aq) <=> FeSCN^2+(aq)}$
• à l'équilibre : $v_\text{directe} = v_\text{inverse}$

Méthodes

• Complète ou limitée. On regarde s'il reste de chaque réactif en fin de réaction.
• Équilibre dynamique. À l'équilibre, les deux réactions inverses continuent à la même vitesse.

Exercices types

• Sur le graphique des concentrations en fonction du temps, indique le moment où l'équilibre est atteint et justifie.
• Pourquoi dit-on qu'un équilibre chimique est dynamique ?

Constante d'équilibre Kc

La loi de Guldberg et Waage relie les concentrations à l'équilibre : produits au numérateur, réactifs au dénominateur, chacun à la puissance de son coefficient. Kc ne dépend que de la température. Une valeur très grande ou très petite signale une réaction pratiquement complète dans un sens.

À connaître

• pour $\ce{aA + bB <=> cC + dD}$ : $K_c = \frac{[\ce{C}]^c \cdot [\ce{D}]^d}{[\ce{A}]^a \cdot [\ce{B}]^b}$
• unité de $K_c$ : $(\mathrm{mol \cdot L^{-1}})^{(c+d)-(a+b)}$
• $K_c > 10^{10}$ : réaction directe complète ; $K_c < 10^{-10}$ : réaction inverse complète ; entre les deux : équilibre
• $c_A$ : concentration introduite ; $[\ce{A}]$ : concentration à l'équilibre

Méthodes

• Écrire l'expression de Kc. Produits au numérateur, réactifs au dénominateur, exposants égaux aux coefficients ; toutes les espèces sont dans la même phase.
• Calculer Kc. On remplace les concentrations à l'équilibre, en mol/L, et on donne l'unité.
• Concentrations à l'équilibre. Un tableau début, variation, équilibre, puis l'équation du premier ou du deuxième degré tirée de Kc.
• Lire une table de constantes. La valeur de Kc dit si la réaction est pratiquement complète ou limitée à un équilibre.

Exercices types

• Écris l'expression de $K_c$ pour $\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)}$ et donne son unité.
• Pour $\ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)}$, on mesure à l'équilibre $[\ce{H2}] = [\ce{I2}] = 0{,}020\ \mathrm{mol/L}$ et $[\ce{HI}] = 0{,}14\ \mathrm{mol/L}$. Calcule $K_c$.
• On introduit 1,0 mol de dihydrogène et 1,0 mol de diiode dans un ballon de 1,0 L. À cette température, $K_c = 49$. Calcule les concentrations à l'équilibre.

Déplacement d'un équilibre

Selon le principe de Le Chatelier, un système en équilibre réagit en s'opposant à la modification imposée. Ajouter un réactif, retirer un produit, comprimer un mélange gazeux ou changer la température déplace l'équilibre ; seule la température change Kc.

À connaître

• compression : déplacement vers le côté qui compte le moins de moles de gaz, $\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}$ vers $\ce{NH3}$
• réaction exothermique dans le sens direct : un chauffage déplace l'équilibre vers les réactifs et diminue $K_c$

Méthodes

• Prévoir le sens de déplacement. Le système compense la perturbation : il consomme ce qu'on ajoute et reforme ce qu'on retire.
• Effet de la pression. Une compression favorise le côté qui compte le moins de moles de gaz.
• Effet de la température. Un chauffage favorise le sens endothermique ; c'est le seul facteur qui change Kc.
• Situations concrètes. Caisson hyperbare, stage en altitude, eau pétillante : on écrit l'équilibre, puis on repère la perturbation.

Exercices types

• Pour $\ce{2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g)}$, exothermique dans le sens direct, prévois l'effet d'une compression, d'un chauffage et d'un ajout de dioxygène.
• Explique pourquoi une bouteille d'eau pétillante mousse quand on l'ouvre.
• Pourquoi place-t-on une personne intoxiquée au monoxyde de carbone dans un caisson hyperbare ?
• Explique à l'aide du principe de Le Chatelier l'intérêt d'un stage en altitude pour un sportif.

Autres chapitres de 5e

• Rappels de 4e : mole, stœchiométrie et concentrations
• Les liaisons chimiques
• Caractériser un phénomène chimique
• Notions de base de chimie organique (alcanes, polymères, alcènes)
• La molécule en chimie organique

Les chapitres de 6e secondaire