L'équilibre dynamique. Chimie 12

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1 L'équilibre dynamique Chimie 12

2 Les types de réactions Les réactions complètes Épuisement du réactif Les réactions impossibles Aucune formation de produits Les réactions incomplètes ou équilibrées L'ajout d'un des réactifs relance la réaction 2

3 Système à l'équilibre On dira qu'un système est à l'équilibre lorsque les deux réactions inverses ont la même vitesse Conditions de l'équilibre : Il n'y a plus de changements macroscopiques Le système est fermé Les deux réactions inverses continuent à se produire à la même vitesse : changements microscopiques L'équilibre est dynamique 3

4 Principe de Le Chatelier Si on impose une modification à un système chimique en équilibre, le système évolue vers un nouvel état d'équilibre de façon à contrecarrer la modification introduite. Les modifications possibles : Concentration Température pression 4

5 Modification de la concentration 5

6 Modification de la température 6

7 Modification de la pression 7

8 Hypoxie à haute altitude Transport de l'oxygène vers les organes : Hb(aq) + O 2 (g) HbO 2 (aq) Lorsque la pression partielle de l'oxygène diminue, l'équilibre favorise les réactifs hypoxie Les personnes vivant en montagne ont jusqu'à 50% plus d'hémoglobine que ceux vivant au niveau de la mer 8

9 Exemple Indique les changements d'équilibre suite à des changements de : température pression pour les réactions suivantes : a) 3O 2 (g) 2O 3 (g) ΔH 0 = kj.mol -1 b) 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) ΔH 0 = -197 kj.mol -1 c) H 2 (g) + CO 2 (g) H 2 O(g) + CO(g) ΔH 0 = + 41 kj.mol -1 9

10 La constante d'équilibre - 1 Loi de Guldberg-Waage Soit la réaction : aa + bb à cc + dd K eq est une constante, c'est la constante d'équilibre de la réaction Si K eq est grande alors la réaction tend à être complète Si K eq est petite alors la réaction tend à être impossible 10

11 La constante d'équilibre - 2 Attention : Les valeurs des concentrations sont celles des réactifs et des produits à l'équilibre. On ne prend en compte dans cette formule que les concentrations qui sont modifiées lors de la réaction : La concentration des solides n'est pas prise en compte. La concentration des liquides purs n'est pas prise en compte. 11

12 Exemple Soit la réaction : N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) Calcule la constante à l'équilibre pour les trois expériences suivantes : [N 2 ] [H 2 ] [NH 3 ] mol.dm -3 mol.dm -3 mol.dm -3 Expérience 1 0,922 0,763 0,157 Expérience 2 0,399 1,197 0,203 Expérience 3 2,59 2,77 1,82 12

13 La constante d'équilibre - 3 La constante d'équilibre et Le Châtelier : changements de concentration : [réactifs]ä alors [produits]ädonc K eq inchangée changement de pression : K eq inchangée changement de température : K eq modifiée 13

14 Calculs d'équilibre ex 1 Une ampoule de 2,0 l contient 6,00 moles de NO 2 (g), 3,0 moles de NO(g) et 0,20 moles de O 2 (g) à l'équilibre. Quelle est la constante pour la réaction : 2 NO(g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) 14

15 Calculs d'équilibre ex 2 4,00 moles de NO 2 (g) sont introduites dans une ampoule de 2,00 l. L'équilibre est atteint après un instant suivant la réaction : 2 NO(g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) À l'équilibre, on mesure 0,500 moles de NO(g). Quelle est la valeur de K eq? 15

16 Calculs d'équilibre ex 3 Une certaine quantité de NO 2 (g) est introduite dans une ampoule de 5,00 l. Quand l'équilibre est atteint suivant la réaction : 2 NO(g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) la concentration de NO(g) est de 0,800 M. Sachant que la valeur de K eq est de 24,0, calcule la quantité initiale de NO 2 (g) introduite dans l'ampoule. 16

17 Calculs d'équilibre ex 4 K eq = 49 pour la réaction : 2 NO(g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) Si 2,0 moles de NO(g), 0,20 moles de O 2 (g) et 0,40 moles de NO 2 (g) sont introduites dans une ampoule de 2,0 l, quel sens de la réaction va être favorisé pour atteindre l'équilibre? 17

18 Calculs d'équilibre ex 5 K eq = 3,5 pour la réaction : SO 2 (g) + NO 2 (g) SO 3 (g) + NO(g) Si 4,0 moles de SO 2 (g) et 4,0 moles de NO 2 (g) sont introduites dans une ampoule de 5,0 l et atteignent l'équilibre, quelles seront les concentrations des différentes substances à l'équilibre? 18

19 Calculs d'équilibre ex 6 Une ampoule de 1,0 l contient 1,0 mol de SO 2, 4,0 mol de NO 2, 4,0 mol de SO 3 et 4,0 mol de NO à l'équilibre suivant la réaction : SO 2 (g) + NO 2 (g) SO 3 (g) + NO(g) Si 3,0 moles de SO 2 (g) sont ajoutées au mélange, quelle sera la nouvelle concentration de NO une fois le nouvel équilibre atteint? 19

20 Synthèse de l'ammoniaque Utilisations variées : Chimiques Agricoles Militaires N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) ΔH Ɵ = - 92 kj/mol 20

21 Procédé Haber - préparation But : préparation d'un mélange N 2 / H 2 1:3 Réaction méthane/vapeur : CH 4 (g) + H 2 O(g) CO(g) + 3H 2 (g) On ajoute de l'air et on enlève l'oxygène pour ne garder que l'azote : ½O 2 (g) + H 2 (g) H 2 O(g) On enlève le monoxyde de carbone : CO(g) + H 2 O(g) CO 2 (g) + 3H 2 (g) Résultat : mélange N 2 / H 2 1:3 21

22 Procédé Haber - réaction Pression : atm favorise produits & vitesse coûts fabrication contenant Température : 450 C Vitesse, catalyseur, recyclage exothermique Catalyseur : fer Taux de conversion : 15 % N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) 22

23 Synthèse de l'acide sulfurique Production chimique la plus importante au monde : 150 millions de tonnes / an Production de fertilisants / détergents Suppression de la rouille Coagulant pour l'industrie papetière Catalyseur de réactions : fabrication du nylon, industrie pétrolière 23

24 Procédé de contact Étape 1 : production de SO 2 par combustion de soufre à 1000 C S(g) + O 2 (g) SO 2 (g) Étape 2 : conversion de SO 2 en SO 3 par catalyse sur V 2 O 5 à 450 C 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) Excès d'air, passage sur 4 lits + refroidissement = 99,5% Étape 3 : production H 2 SO 4 SO 3 (g) + H 2 SO 4 (l) H 2 S 2 O 7 (l) H 2 S 2 O 7 (l) + H 2 O(l) 2 H 2 SO 4 (aq) 24

25 Production de l'acide sulfurique 25