Fiche de cours : Équilibre et sens d'évolution — Terminale spécialité physique-chimie
Une page qui résume l'équilibre chimique et le sens d'évolution en Terminale spécialité physique-chimie : quotient de réaction, constante d'équilibre, critère d'évolution, tableau d'avancement et déplacement d'équilibre, pour préparer le bac.
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Ce que contient la fiche Équilibre et sens d'évolution
Transformation non totale : état d'équilibre
Lors d'une transformation non totale, réactifs et produits coexistent à l'état final : xf < xmax. L'équation s'écrit avec une double flèche : a A + b B ⇌ c C + d D.
Il s'agit d'un équilibre dynamique : les réactions en sens direct et en sens inverse se poursuivent à la même vitesse, si bien que les quantités ne varient plus.
Quotient de réaction Qr et constante d'équilibre K
Le quotient de réaction s'écrit Qr = ([C]c × [D]d) / ([A]a × [B]b) : les produits en haut, les réactifs en bas, avec pour exposants les nombres stœchiométriques. Les concentrations, en mol·L−1, sont divisées par c° : Qr est sans unité. Le solvant (l'eau) et les solides n'y figurent pas.
À l'équilibre, Qr,éq = K(T) : K ne dépend que de la température, pas de la composition initiale.
Critère d'évolution spontanée
On calcule Qr,i à l'état initial, puis on le compare à K. Si Qr,i < K, le système évolue en sens direct : il se forme des produits. Si Qr,i > K, il évolue en sens inverse : il se forme des réactifs.
Dans les deux cas, le système évolue jusqu'à Qr = K : c'est l'équilibre.
Tableau d'avancement et constante K
Pour A + B ⇌ C + D, le tableau donne à l'état initial n1, n2, 0 et 0 ; en cours, n1 − x, n2 − x, x et x ; à l'équilibre, n1 − xéq, n2 − xéq, xéq et xéq.
Méthode : écrire Qr,éq = K, puis remplacer chaque concentration par la ligne « équilibre » divisée par le volume V. On obtient ici K = xéq2 / ((n1 − xéq)(n2 − xéq)). Le taux d'avancement final τ = xf / xmax est traité dans la fiche Acide-base.
Déplacer un équilibre pour améliorer le rendement
Une modification change Qr, pas K : on compare de nouveau les deux. Mettre un réactif en excès fait augmenter le bas de Qr, d'où Qr < K. Éliminer un produit fait diminuer le haut de Qr, d'où encore Qr < K.
Dans les deux cas, le système évolue en sens direct et le rendement augmente.
Pile : transfert spontané d'électrons
Une pile exploite un transfert spontané d'électrons. Au pôle négatif a lieu l'oxydation Red1 → Ox1 + n e− ; au pôle positif, la réduction Ox2 + n e− → Red2. La capacité électrique vaut Q = n(e−) × F = I × Δt.
Les électrons vont du pôle − au pôle + par le circuit ; le courant I circule en sens inverse. Le pont salin ferme le circuit par ses ions. La pile est usée quand Qr = K.
Ce qui tombe au bac
Sur les 17 exercices de bac de 2021 à 2026 classés dans ce thème, le quotient de réaction revient le plus souvent, devant le tableau d'avancement. Ces exercices sont souvent associés à la spectroscopie infrarouge (29 %), au diagramme de prédominance (24 %) ou au rendement d'une synthèse (24 %).
- 29 % : quotient de réaction
- 18 % : tableau d'avancement
- 12 % : quotient de réaction et critère d'évolution
- 12 % : constante d'équilibre
- 12 % : optimisation d'un rendement
- 12 % : taux d'avancement final
- 6 % : déplacement d'équilibre
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