QUOTIENT DE RÉACTION, CONSTANTE D'ÉQUILIBRE D'UNE RÉACTION

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1 Chapitre C4 QUOTIENT DE RÉACTION, CONSTANTE D'ÉQUILIBRE D'UNE RÉACTION I) QUOTIENT DE RÉACTION Q r I.1. Définition I.2. Deux as partiuliers I.3. Autres exemples II) CONSTANTE D ÉQUILIBRE K II.1. Évolution de Q r au ours d une réation II.2. Constante d uilibre K assoiée à une réation II.3. Constante d uilibre et taux d avanement final III) UNE CONSTANTE D ÉQUILIBRE PARTICULIÈRE : LA CONSTANTE D ACIDITÉ K A D UN COUPLE ACIDE/BASE III.1. Définition III.2. Exemples III.3. Comparaison de deux aides (ou de deux bases) de même onentration On a vu dans le hapitre préédent que lorsqu une transformation himique était limitée, elle onduisait (souvent très rapidement) à un état final appelé état d uilibre, dans lequel les onentrations molaires des espèes en présene (produits et réatifs) restent onstantes. Il est don intéressant de aratériser l état d uilibre par une relation quantitative entre les onentrations molaires des espèes présentes. Chap. C4 1/6

2 I) QUOTIENT DE RÉACTION Q r I.1. Définition Soit la réation en solution aqueuse diluée : a A b B C d D ( réatifs ) ( produits ) Pour un état quelonque du système, le quotient de réation Q r est défini par la relation : Q r d [ C [ D a b [ A [ B dans laquelle [X représente le nombre qui mesure la onentration molaire de l espèe X mesurée en mol.l -1 ; Q r est sans unité. Exemple : CH 3 COOH aq NH 3 aq NH 4 aq CH 3 COO - aq I.2. Deux as partiuliers Q r - [NH [ CH COO [NH 4 [ CH COOH I.2.a. Cas où une des espèes est le solvant : - [ H C 6 H 5 COOH H 2 O (liq) H 3 O C 6 H 5 COO - 3O [ C6H 5 COO Q r [ C H COOH H 2 O 2 2 I - 2 H I 2 2 H 2 O (l) 6 5 I 2 Q r 2 2 I - H H 2O 2 On ne fait pas figurer le solvant H 2 O (en exès) dans l expression de Q r I.2.b. Cas où une des espèes est solide (système hétérogène) : CuSO 4 (s) Cu 2 SO 4 2- Q r [ Cu 2 [ SO 4 2- On ne fait pas figurer les espèes solides dans l expression de Q r. I.3. Autres exemples 2 H 2 O (liq) H 3 O OH - Q r 1 [H 3 O [ OH - H 3 O OH - 2 H 2 O (liq) ' Q r [ H O [ OH Q r 1 H 2 O 2 2 I 2 H 3 O I 2 4 H 2 O (liq) [ I 2 Q r [ - H2 O 2 [ I [ H3 O 2 2 Chap. C4 2/6

3 II) CONSTANTE D ÉQUILIBRE K II.1. Évolution du quotient de réation Q r au ours d une réation Exemple : on introduit 10-2 mol d aide éthanoïque pur dans 1 L d eau. Le ph vaut 3,4. ➀ Quelle est la onentration en soluté introduit? ➁ Quelle est la valeur initiale Q r, i du quotient de réation juste avant que la réation ne démarre? ➂ Quelle est l évolution de la valeur de Q r au ours de la réation? ➃ Quelle est la valeur finale Q r, du quotient de réation? EI réation en ours EF état d uilibre CH 3 COOH H 2 O (l) H 3 O aq CH 3 COO - aq n 0 CH3COOH v v - x v - x solvant en exès 0 0 x x [H3O v x x ➀,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ➁,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ➂,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ➃,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, AN : [ H 3O 10 ph 4, mol.l -1 don Q r,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, Q r, est une onstante ar les différentes onentrations ne varient plus une fois l uilibre atteint. II.2. Constante d uilibre K assoiée à une réation II.2.a. Définition La onstante d uilibre K assoiée à une réation donnée est la valeur que prend le quotient de réation Q r à l uilibre : d [ C [ D K Q r, K est une onstante à température onstante a b [ A [ B Chap. C4 3/6

4 II.2.b. Propriétés de K la valeur de K ne dépend que de la température exemple : CH 3 COOH aq H 2 O liq H 3 O aq CH 3 COO - aq K 25 C 1, K 80 C 4, la valeur de K ne dépend pas de la omposition initiale du système (voir TP4 C4) exemple : CH 3 COOH aq H 2 O liq H 3 O aq CH 3 COO - aq si 0,1 mol.l -1 on trouve Q r, 1, si 0,01 mol/l on trouve aussi Q r, 1, K est assoiée à une réation dans un sens donné exemple : 2 H 2 O liq H 3 O aq OH - aq K 1, H 3 O aq OH - aq 2 H 2 O liq K 1 K 1, II.3. Constante d uilibre et taux d avanement final Étude de la réation AH H 2 O (l) H 3 O A - En utilisant le tableau d avanement, on démontre que : τ Compléter le tableau suivant : [ H O aide (mol.l -1 ) ph τ K - [ H O [ A [ AH avanement de la réation HCOOH 0,010 2,9 CH 3 COOH 0,010 3,4 Conlusion : Plus K est faible et plus la réation est limitée Plus K est élevée et plus la réation se rapprohe d une réation totale Une réation est onsidérée omme totale si K 10 4 Chap. C4 4/6

5 III) UNE CONSTANTE D ÉQUILIBRE PARTICULIÈRE : LA CONSTANTE D ACIDITÉ K A D UN COUPLE ACIDE/BASE III.1.Définition Soit un aide AH et sa base onjuguée A -. La onstante d aidité K A du ouple aido-basique AH /A - est la onstante d uilibre assoiée à la réation de l aide sur l eau : AH H 2 O H 3 O A - K A - [ H3 O [ A onstante [ AH pk A - log K A K A 10 - pka K A et pk A sans unité ; [X représente le nombre qui mesure la onentration molaire de l espèe X mesurée en mol.l -1 K A dépend de la température et de la nature du ouple étudié III.2. Exemples ouples AH/A - K a (à 25 C) pk a (à 25 C) HCOOH / HCOO - 1, ,8 C 6 H 5 COOH / C 6 H 5 COO - 6, ,2 CH 3 COOH / CH 3 COO - 1, ,8 NH 4 / NH 3 6, ,2 K A et pk A varient en sens ontraires K a pk a l eau aide : H 2 O / OH - transformation : H 2 O H 3 O HO - - [ H 3O [ OH - KA [ H3O [ OH [ H2O don K A K e don pk A pk e 14 l eau base : H 3 O / H 2 O transformation : H 2 O H 3 O H 3 O H 2 O [ H3O [ [ 2O 3 H H O K A 1 [ H 3O [ H3O don K A 1 don pk A 0 Chap. C4 5/6

6 III.3. Comparaison de deux aides (ou de deux bases) de même onentration. III.3.a. Fore relative de deux aides La fore d un aide est liée à son aptitude à libérer un proton. Pour omparer deux aides entre eux, on ompare leur dissoiation dans l eau : plus ette dissoiation est importante, plus on dit que l aide est «fort». Un aide est don d autant plus fort que le taux d avanement final de sa réation ave l eau est élevé. Cela signifie qu un aide A 1 est plus fort qu un aide A 2 si, à onentration égale, le taux d avanement final de sa réation ave l eau est plus grand (τ 1 > τ 2 ) Comparaison de la fore de 2 aides par omparaison des ph : [ H3O On a déjà vu que τ est le taux d avanement final de la réation entre un aide A et l eau. Don à onentration égale, si τ 1 > τ 2, ela signifie que [H 3 O,1 > [H 3 O,2 e qui revient à dire que ph 1 < ph 2. Un aide A 1 est plus fort qu un aide A 2 si, à onentration égale, ph 1 < ph 2 Comparaison de la fore de 2 aides par omparaison des pk A : On peut montrer que K A τ²/(1-τ) Don à onentration égale, si τ 1 > τ 2, ela signifie que K A1 > K A2 ou enore pk A1 < pk A2 Un aide A 1 est plus fort qu un aide A 2 si, à onentration égale, K A1 > K A2 ou pk A1 < pk A2 III.3.b. Fore relative de deux bases La fore d une base est liée à son aptitude à apter un proton. Une base est d autant plus forte que le taux d avanement de sa réation ave l eau est élevé. Cela signifie qu une base B 1 est plus forte qu une base B 2 si, à onentration égale, le taux d avanement final de sa réation ave l eau est plus grand (τ 1 > τ 2 ) On peut montrer que la onstante d uilibre K assoiée à la réation entre une base B et l eau s érit K τ²/(1-τ) K e /K A ave K A la onstante d aidité du ouple BH /B. Une base B 1 est plus forte qu une base B 2 si, à onentration égale, K A1 < K A2 ou pk A1 > pk A2 III.3.. Aide et base onjugués Plus le pk A d un ouple aide/base est petit, plus l aide du ouple est fort et plus la base onjuguée est faible. Chap. C4 6/6