Équilibre chimique

Transformation non totale et équilibre chimique

DANGER

Lorsque la transformation est non totale, le système chimique atteint un état d’équilibre pour lequel les réactifs et les produits sont tous présents à l’état final. L’équation de la réaction s’écrit alors avec une double flèche indiquant que la transformation se produit dans les deux sens de l’équation simultanément mais sans variation de la composition finale du système.

Il ne faut pas confondre transformation totale non terminée (le mélange peut continuer à évoluer) et transformation non totale. Seules les transformations non totales peuvent donner lieu à un équilibre (le mélange n’évolue plus).

Modèle d’équilibre dynamique :

la réaction entre A et B, donnant C et D n’est pas totales on, on écrit :

$$a.A+b.B\rightleftharpoons c.C+d.D$$

Cela signifie que, à l’état final, les deux réactions suivantes se produisent simultanément.

• $a.A+b.B\to c.C+d.D$ sens appelé $direct$
• $a.A+b.B\leftarrow c.C+d.D$ sens appelé $indirect$

INFO

Au niveau microscopique, à l’état d’équilibre, les réactifs A et B continuent à se rencontrer et à réagir ensemble. Mais dans le même temps, les produits, C et D, font de même. Les quantités de matière n’évoluent plus macroscopiquement car ces deux réactions ont lieu à la même vitesse et simultanément : c’est un état d’équilibre dynamique

Taux d’avancement

Le taux d’avancement $\tau$ d’une réaction est égal au quotient de l’avancement par l’avancement maximal, le taux d’avancement final ${\tau }_f$ étant la valeur atteinte lorsque la réaction est terminée :

$$\tau =\frac{x}{x_{max}}et{\tau }_f=\frac{x_f}{x_{max}}$$

• Transformation totale : $x_{f,totale}=x_{max}$ donc ${\tau }_{f,totale}=1$
• Transformation non totale : $x_{f,nontotale}<x_{max}$ donc ${\tau }_{f,nontotale}<1$

Le taux d’avancement peut aussi être considéré comme un rendement exprimé en pourcent. Si le taux d’avancement final vaut 0,6 alors 60% du réactif limitant a été consommé.

Exercice :

On fait réagir $n(acide{)}_i=1,0\times {10}^{-1}mol$ de $C{H}_{3}COOH$ avec $n(alcool{)}_i=1,0\times {10}^{-1}mol$ de $C{H}_{3}C{H}_{2}OH$. L’équation de la réaction est $C{H}_{3}COO{H}_{(l)}+C{H}_{3}C{H}_{2}O{H}_{(l)}\rightleftharpoons C{H}_{3}COOC{H}_{2}C{H}_{3(l)}+H_2{O}_{(l)}$.

Au bout d’un temps assez long, le système n’évolue plus. La quantité restante de $C{H}_{3}COOH$ est de $n(acide{)}_f=3,3\times {10}^{-2}mol$.

1. La réaction est-elle totale ?
2. Quel le taux d’avancement final de la réaction ?

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1. Si la réaction était totale, au moins un des réactifs, le réactif limitant, devrait avoir été entièrement consommé. Ici les réactifs sont dans des proportions stochiométriques, $n(acide{)}_f=n(alcool{)}_f=3,3\times {10}^{-2}mol$. A l’état final, les quantités de réactifs sont non nulles donc la réaction n’est pas totale.
2. On cherche l’avancement final $x_f$ et l’avancement maximal $x_{max}$.

A l’état final $n(acide{)}_f=n(acide{)}_i-x_f=3,3\times {10}^{-2}mol$. Donc $x_f=6,7\times {10}^{-2}mol$.

Si la réaction était totale, alors $n(acide{)}_f=n(alcool{)}_f=1,0\times {10}^{-1}mol-x_{max}=0mol$. Donc $x_{max}=1,0\times {10}^{-1}mol$.

Au final, on obtient :

$${\tau }_f=\frac{x_f}{x_{max}}=\frac{6,7\times {10}^{-2}mol}{1,0\times {10}^{-1}mol}=0,67<1$$

La réaction est bien non totale.