Il est possible de prévoir l'évolution d'un système chimique en comparant son quotient de réaction Q_r à la constante d'équilibre K.
On étudie la réaction entre les ions oxonium d'une solution d'acide chlorhydrique et l'ammoniac. L'équation de la réaction est :
\ce{H3O+_{(aq)}} + \ce{NH3_{(aq)}} \ce{ \lt = \gt } \ce{NH4+_{(aq)}} + \ce{H2O_{(l)}}
À un instant de la réaction, on a les concentrations :
- [ \ce{H3O+} ] = 2{,}00.10^{-3} \text{ mol.L}^{-1}
- [\ce{NH3} ] =4{,}00.10^{-3} \text{ mol.L}^{-1}
- [ \ce{NH4+} ] = 6{,}00.10^{-3} \text{ mol.L}^{-1}
La constante d'équilibre de cette transformation est K=1{,}6.10^{9}.
Dans quel sens cette transformation va-t-elle évoluer ?
Rappeler le critère d'évolution spontanée d'un système chimique
On rappelle le critère d'évolution spontanée d'un système chimique.
Un système chimique, dans lequel se produit une transformation chimique, évolue de manière à ce que le quotient de réaction Q_r tende vers la constante d'équilibre K :
Critère d'évolution spontanée d'un système chimique
Ainsi :
- Si Q_r \lt K, le système évolue dans le sens direct de l'équation de la réaction. Cette évolution s'arrête lorsque le quotient de la réaction Q_r est égal à la constante d'équilibre K .
- Si Q_r = K, le système chimique est à l'équilibre. D'un point de vue macroscopique, il n'évolue pas.
- Si Q_r \lt K, le système évolue dans le sens indirect. Cette évolution s'arrête lorsque le quotient de la réaction Q_r est égal à la constante d'équilibre K.
Calculer le quotient de réaction
On calcule le quotient de réaction en utilisant les concentrations des espèces chimiques.
Le quotient de réaction correspondant à l'équation de réaction données est :
Q_r= \dfrac{\dfrac{\ce{[NH4^+]}}{C^0} \times 1 }{\dfrac{\ce{[H3O+]}}{C^0} \times \dfrac{\ce{[NH3]}}{C^0}}
Soit :
Q_r= \dfrac{\ce{[NH4^+]} \times C^0 }{\ce{[H3O+]} \times \ce{[NH3]}}
D'où l'application numérique :
Q_r= \dfrac{6{,}00.10^{-3} \times 1 }{2{,}00.10^{-3} \times 4{,}00.10^{-3}}
Q_r= 750
Comparer le quotient de réaction et la constante d'équilibre et conclure
On compare le quotient de réaction et la constante d'équilibre et on conclut.
La constante d'équilibre de cette transformation étant K=1{,}6.10^{9} et le quotient de réaction Q_r= 750, le quotient de réaction est inférieur à la constante d'équilibre :
Q_r \lt K
On en déduit que le système va évoluer dans le sens direct :
\ce{H3O+_{(aq)}} + \ce{NH3_{(aq)}} \ce{->} \ce{NH4+_{(aq)}} + \ce{H2O_{(l)}}