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Équilibre chimique : Kc, Kp, Q et énergie de Gibbs

Dans un récipient fermé, une réaction réversible va dans les deux sens. Au bout d'un moment, la vitesse dans le sens direct devient égale à celle du sens inverse : les quantités ne changent plus, mais la réaction ne s'arrête pas. C'est l'équilibre dynamique. À l'équilibre, le rapport produits sur réactifs (chacun élevé à son coefficient) est un nombre fixe, la constante d'équilibre K. Kc utilise les concentrations, Kp les pressions partielles, et Kp = Kc(RT)^Δn. Les solides et liquides purs ne figurent pas dans K. Le quotient de réaction Q donne le sens : Q < K, la réaction va vers la droite ; Q > K, vers la gauche ; Q = K, c'est l'équilibre. K et l'énergie de Gibbs sont liés : ΔG = ΔG° + RT ln Q et ΔG° = −RT ln K.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Une boîte fermée contient au départ seulement du N₂O₄. Certaines paires grises se cassent en NO₂ brun, et du NO₂ se recolle en paires. Après un moment, les nombres ne bougent plus, mais les molécules continuent de changer. C'est l'équilibre dynamique.
  2. Pars des quantités que tu veux. À l'équilibre, [NO₂]² ÷ [N₂O₄] donne toujours le même nombre. Ce nombre fixe est la constante d'équilibre Kc.
  3. Pour les gaz, on peut utiliser les pressions à la place des concentrations. On obtient Kp. Ici, le nombre de moles de gaz change de Δn = 2 − 1 = 1, donc Kp = Kc × RT.
  4. Voici maintenant une boîte avec un solide : CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g). Agrandis ou rétrécis le solide. La pression de CO₂ ne change pas. Les solides sont donc exclus de K.
  5. On ajoute du NO₂ en plus. Le quotient de réaction Q devient plus grand que K. La réaction va vers la gauche jusqu'à ce que Q redevienne égal à K. Le signe de ΔG = RT ln(Q/K) indique le sens.
  6. Jeu libre : ajoute du N₂O₄ ou du NO₂ et regarde le système retrouver sa route vers K.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Si les quantités ne changent plus, la réaction s'est-elle arrêtée ?

Non. Les deux réactions continuent à la même vitesse. Dans la 3D, paires et molécules seules continuent de s'échanger alors que les nombres restent stables.

K dépend-il de ce que je mets au départ ?

Non. Change les curseurs de départ : le rapport final [NO₂]²/[N₂O₄] retombe toujours sur le même Kc à température fixée.

Quand Kp est-il égal à Kc ?

Quand Δn (moles de gaz) = 0, car (RT)⁰ = 1. Pour N₂O₄ ⇌ 2NO₂, Δn = 1, donc Kp = Kc × RT.

Pourquoi laisse-t-on les solides hors de K ?

La concentration d'un solide est fixée par sa masse volumique. La 3D montre qu'un bloc de CaCO₃ plus grand ou plus petit donne la même pression de CO₂.

Comment Q et K indiquent-ils le sens ?

Q utilise les quantités actuelles. Si Q > K, il y a trop de produit, donc la réaction va dans le sens inverse. Dans la 3D, du NO₂ en plus rend Q > K et le nombre de bruns redescend.

Un grand K veut-il dire une réaction rapide ?

Non. K indique jusqu'où va la réaction, pas à quelle vitesse. La vitesse dépend de l'énergie d'activation et de la température.

Équilibre dynamique dans les processus physiques et chimiques

Équilibre veut dire balance. On ne l'atteint que dans un système fermé (rien n'entre, rien ne sort).

Processus physiques : dans une bouteille fermée, l'eau s'évapore et la vapeur se condense. Après un moment, les deux se font à la même vitesse, donc la pression de vapeur devient constante. La glace et l'eau à 0 °C, ou une solution de sucre saturée avec du sucre au fond, sont d'autres exemples.

Processus chimiques : dans une réaction réversible, les réactifs forment des produits et les produits reforment des réactifs. Au début, la vitesse directe est grande. Quand les produits s'accumulent, la vitesse inverse augmente. Quand les deux vitesses deviennent égales, les quantités ne changent plus.

On dit dynamique parce que la réaction ne s'arrête jamais. Les molécules réagissent sans cesse dans les deux sens ; on ne voit simplement aucun changement net. On peut atteindre le même équilibre en partant de chaque côté.

Essaie : dans la 3D, à l'étape 1, regarde les nombres de gris et de bruns. Ils se stabilisent, et pourtant paires et molécules seules continuent de s'échanger.

Loi de l'équilibre et constante d'équilibre Kc

Pour une réaction générale aA + bB ⇌ cC + dD, à température fixée :

Kc = [C]c[D]d / [A]a[B]b

Les crochets désignent la concentration molaire (mol/L) à l'équilibre. C'est la loi de l'équilibre chimique (loi d'action de masse). Les produits sont au numérateur, les réactifs au dénominateur, chacun élevé à son coefficient.

Règles à retenir :

Essaie : à l'étape 2, bouge les curseurs de départ. Q finit toujours par se fixer sur le même Kc.

Kc et Kp : la relation Kp = Kc(RT)^Δn

Pour les gaz, la pression partielle p est proportionnelle à la concentration : p = (n/V)RT = [X]RT. En remplaçant dans l'expression, on obtient :

Kp = Kc (RT)Δn, où Δn = (moles de produits gazeux) − (moles de réactifs gazeux).

Utilise R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹ avec la pression en bar et T en kelvin. Seuls les gaz comptent dans Δn.

Équilibres homogènes et hétérogènes

Équilibre homogène : tout est dans une seule phase. Exemples : N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) ; CH₃COOH(aq) + C₂H₅OH(aq) ⇌ CH₃COOC₂H₅(aq) + H₂O(l) en solution.

Équilibre hétérogène : plus d'une phase. Exemples : CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) ; H₂O(l) ⇌ H₂O(g) ; Ni(s) + 4CO(g) ⇌ Ni(CO)₄(g).

La concentration d'un solide pur ou d'un liquide pur est fixe (sa masse volumique ne change pas), on la prend égale à 1 et on la laisse hors de K. Donc pour CaCO₃ ⇌ CaO + CO₂, Kp = p(CO₂). Mais le solide doit être présent pour que l'équilibre existe.

Essaie : à l'étape 4, change la quantité de CaCO₃. L'affichage du CO₂ ne bouge pas.

À quoi sert la constante d'équilibre

1. Avancement de la réaction. K > 10³ : surtout des produits (réaction presque totale). K < 10⁻³ : surtout des réactifs (elle avance à peine). K entre 10⁻³ et 10³ : bonnes quantités des deux.

2. Sens de la réaction. Écris Q avec les quantités actuelles (pas celles de l'équilibre). Q < K → sens direct. Q > K → sens inverse. Q = K → équilibre.

3. Quantités à l'équilibre. Utilise un tableau ICE : Initial, Changement, Équilibre. Mets les valeurs à l'équilibre dans K et résous pour x.

K ne dit rien sur la vitesse pour atteindre l'équilibre. Cela relève de la cinétique.

K, Q et énergie de Gibbs

L'énergie de Gibbs décide si un changement peut se faire tout seul. Pour un mélange réactionnel :

ΔG = ΔG° + RT ln Q

À l'équilibre, ΔG = 0 et Q = K, donc ΔG° = −RT ln K = −2.303 RT log K. De plus, ΔG = RT ln(Q/K).

Utilise ici R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹, et T en kelvin. Essaie : à l'étape 5, l'affichage montre ΔG qui tombe à 0 quand Q revient à K.

Coin examen

Le chapitre sur l'équilibre rapporte environ 7 points dans le programme CBSE de Class 11. Questions fréquentes : écrire les expressions de Kc et Kp, la relation entre Kp et Kc, trouver K avec un tableau ICE, prévoir le sens avec Q, et les calculs avec ΔG° = −RT ln K. Écris toujours l'unité de K quand on te la demande et indique la température.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Écris Kc pour 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g).

Produits sur réactifs, chacun élevé à son coefficient : Kc = [SO₃]² / ([SO₂]²[O₂]).

2. Pour H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 50 à 700 K. Trouve Kc pour 2HI ⇌ H₂ + I₂ et pour HI ⇌ ½H₂ + ½I₂.

Inversée : K = 1/50 = 0.02. Divisée par deux : K = √0.02 = 0.141.

3. On place 1.0 mol de N₂O₄ dans un flacon de 1 L. À l'équilibre, il y a 0.52 mol de NO₂. Trouve Kc pour N₂O₄ ⇌ 2NO₂.

NO₂ formé = 0.52 mol, donc N₂O₄ consommé = 0.26 mol. [N₂O₄] = 0.74 M, [NO₂] = 0.52 M. Kc = 0.52² / 0.74 = 0.2704/0.74 ≈ 0.37 mol/L.

4. Pour N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g), Kc = 0.5 L² mol⁻² à 500 K. Trouve Kp (R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹).

Δn = 2 − 4 = −2. RT = 0.0831 × 500 = 41.55. Kp = 0.5 × (41.55)⁻² = 0.5 / 1726.4 ≈ 2.9 × 10⁻⁴ bar⁻².

5. Pour A ⇌ B, K = 4. Un mélange a [A] = 0.5 M et [B] = 1.0 M. Dans quel sens va-t-il évoluer ?

Q = [B]/[A] = 1.0/0.5 = 2. Q (2) < K (4), donc la réaction va dans le sens direct et forme plus de B.

6. Trouve ΔG° à 300 K pour une réaction avec K = 10 (R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹).

ΔG° = −2.303RT log K = −2.303 × 8.314 × 300 × 1 = −5744 J/mol ≈ −5.74 kJ/mol. C'est négatif, donc les produits sont favorisés.

7. Pour H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 64. On part de 1 mol de H₂ et 1 mol de I₂ dans 1 L. Trouve les quantités à l'équilibre.

ICE : H₂ = 1 − x, I₂ = 1 − x, HI = 2x. Kc = (2x)² / (1 − x)² = 64. Racine carrée : 2x/(1 − x) = 8 → 2x = 8 − 8x → x = 0.8. Donc H₂ = I₂ = 0.2 mol, HI = 1.6 mol.

8. ΔG° d'une réaction à 298 K vaut +11.4 kJ/mol. Trouve K.

log K = −ΔG°/(2.303RT) = −11400/(2.303 × 8.314 × 298) = −11400/5705.8 ≈ −2.0. K = 10⁻² = 0.01. Les réactifs sont favorisés.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. À l'équilibre dynamique :
2. Pour CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g), Kp vaut :
3. Pour N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, Δn vaut :
4. Si Q > K, la réaction :
5. Si ΔG° est négatif, K est :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que l'équilibre chimique, en mots simples ?

C'est l'état d'une réaction réversible dans un récipient fermé quand les vitesses directe et inverse sont égales : les quantités de réactifs et de produits restent constantes.

Quelle est la relation entre Kp et Kc ?

Kp = Kc(RT)^Δn, où Δn est la variation du nombre de moles de gaz (produits moins réactifs).

Comment ΔG° et K sont-ils liés ?

ΔG° = −RT ln K = −2.303RT log K. Un ΔG° négatif signifie K > 1.

Où c'est enseigné

Canada (Ontario)Grade 12E. Chemical Systems and Equilibrium
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªChemistry
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªChemistry
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Design and experiments (part 1)
NetherlandsVWO 5Chemical processes (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IKinetics, equilibrium and energetics
RomaniaClasa a XI-aChemical equilibrium
Spain2º BachilleratoChemical reactions
Ukraine11 класChemical reactions
CBSE (India)Class 11Equilibrium
England (GCSE, A level)Year 114.6 The rate and extent of chemical change
England (GCSE, A level)Year 115.6 The rate and extent of chemical change
England (GCSE, A level)Year 123.1 Physical chemistry
England (GCSE, A level)Year 133.1 Physical chemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermochemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Equilibrium
Japan高校(専門学科)1〜3年Advanced Chemistry
Japan高校2年Chemical change and equilibrium
South Korea고등학교 2학년Chemical equilibrium
South Korea고등학교 3학년Dynamic reactions
South Korea고등학교 3학년Reaction enthalpy and equilibrium
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Chemical equilibrium: reversible and dynamic
FranceTerminaleMatter and its changes
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
China高二Selective 1 Ch.2 Rate and equilibrium

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