Fiche de cours

Déterminer le sens d'évolution d'un système grâce à son quotient de réaction

Lycée > Terminale > Physique Chimie > Déterminer le sens d'évolution d'un système grâce à son quotient de réaction

Fiche de cours
Quiz et exercices
Vidéos et podcasts

Objectifs

Déterminer le sens d’évolution spontanée d’un système.
Déterminer la valeur du quotient de réaction à l’état final d’un système siège d’une transformation non totale, et montrer son indépendance vis-à-vis de la composition initiale du système à une température donnée.

Points clés

L’état d’un système chimique siège d’une transformation chimique peut être caractérisé par son quotient de réaction. Les concentrations en quantités de matière des réactifs, élevées à la puissance de leurs coefficients stœchiométriques, sont au dénominateur et celles des produits sont au numérateur. Le quotient de réaction n’a pas d’unité.
Les espèces solides et le solvant n’apparaissent pas dans l’expression du quotient de réaction.
Un système chimique à l’équilibre chimique possède un quotient de réaction dont la valeur est indépendante de la composition initiale du système. Cette valeur correspond à la constante d’équilibre K qui ne dépend que de la température.
Le système chimique évolue dans le sens direct si le quotient de réaction initial est inférieur à la constante d’équilibre, et il évolue dans le sens inverse si le quotient de réaction initial est supérieur à la constante d’équilibre. C’est le critère d’évolution spontanée.

Pour bien comprendre

Concentration en quantité de matière
Équation de réaction chimique

1. Le quotient de réaction

Un système chimique en solution aqueuse et siège d’une transformation chimique, est modélisé par l’équation de réaction suivant.

a A (aq) + b B (aq)

c C (aq) + d D (aq)

avec :

A et B les formules des réactifs qui interviennent
C et D les formules des produits qui sont formés
a, b, c et d les coefficients stœchiométriques qui indiquent dans quelles proportions les réactifs disparaissent et les produits apparaissent

Remarque
La double flèche dans l’équation chimique signifie que la réaction étudiée est non totale. Dans l’état final, tous les réactifs et tous les produits coexistent : leurs quantités de matière respectives sont non nulles.

Au cours de la transformation chimique, le système évolue entre un état initial et un état final. Chaque état du système peut être caractérisé par une grandeur appelée quotient de réaction Q_r.

avec :

Q_r le quotient de réaction, sans unité
[A], [B], [C] et [D] les concentrations en quantité de matière des réactifs et des produits, en mole par litre (mol·L^–¹)
C⁰ la concentration de référence, telle que C⁰ = 1 mol·L^–¹

Pour des raisons d’allègement d’écriture, on remplace souvent C⁰ par sa valeur numérique (1 mol·L^–¹) ce qui permet d’écrire le quotient de réaction plus simplement.

Les quotients de réaction à l’état initial (Q_r,i) et à l’état final (Q_r,f) sont notés de la manière suivante.

Au cours de la réaction, la valeur du quotient de réaction évolue de sa valeur initiale Q_r,i à sa valeur finale Q_r,f.

Évolution du quotient de réaction
au cours d’une transformation chimique

Remarques

Dans l’état initial, si seuls les réactifs sont présents, le quotient de réaction initial est forcément égal à zéro car [C]_i = [D]_i = 0 mol·L^–¹.
Par contre, si dans l’état initial tous les produits sont déjà présents, le quotient de réaction initial est forcément différent de zéro car [C]_i et [D]_i sont différents de 0 mol·L^–¹.

Lorsque des espèces chimiques solides ou alors l’eau (qui est le solvant) interviennent dans l’équation de la réaction, elles n’apparaissent pas dans l’expression du quotient de réaction.

Exemple
Voici l’équation associée à la réaction entre l’ion thiosulfate S₂O

et l’ion oxonium H₃O⁺.

S₂O

(aq) + 2 H₃O⁺ (aq)

S (s) + SO₂ (aq) + 3 H₂O (l)

Le quotient de réaction associé est

Dans le cas d’une réaction où l’eau n’est pas le solvant, ce qui est le cas par exemple des réactions en chimie organique qui font intervenir des molécules organiques (composées de l’élément carbone), l’eau peut alors intervenir dans l’expression du quotient de réaction.

Exemple
Voici l’équation associée à la réaction entre l’éthanol C₂H₆O et l’acide éthanoïque C₂H₄O₂.

C₂H₆O (l) + C₂H₄O₂ (l)

C₄H₈O₂ (l) + H₂O (l)

Le quotient de réaction associé est

2. La constante d'équilibre

a. Le quotient de réaction dans l'état d'équilibre

Il existe des réactions pour lesquelles, à l’état final, le réactif limitant n’est pas entièrement consommé.
À l’état d’équilibre chimique, la composition du milieu réactionnel n’évolue plus, les réactifs et les produits coexistent.

Il existe une grandeur qui permet de caractériser cet état d’équilibre chimique : le quotient de réaction dans l’état d’équilibre Q_r,éq.

Remarque
Ce quotient de réaction dans l’état d’équilibre s’identifie avec le quotient de réaction dans l’état final : Q_r,éq = Q_r,f.

b. Expérience

On considère une transformation chimique modélisée par l’équation chimique suivante.

a A (aq) + b B (aq) c C (aq) + d D (aq)

Manipulation

On réalise différentes expériences pour lesquelles l’état initial est différent, donc les concentrations en quantité de matière initiales sont différentes : la valeur du quotient de réaction initial sera différente pour chacune des expériences.

On étudie l’évolution temporelle du quotient de réaction au cours de la réaction chimique.

Évolution du quotient de réaction
pour différentes valeurs initiales

Observation et conclusion

On constate que la valeur du quotient de réaction à l’état d’équilibre Q_r,éq ne dépend pas des conditions initiales : il possède toujours la même valeur.

Le quotient de réaction à l’état d’équilibre ne dépend pas de l’état initial du système chimique. C’est une constante caractéristique de la réaction chimique, qui s’appelle la constante d’équilibre et qui est notée K : K = Q_r,éq.

La constante d’équilibre K dépend uniquement de la température à laquelle s’effectue la transformation chimique.

3. Le sens d'évolution d'un système

Lorsqu’un système chimique n’est pas dans son état d’équilibre chimique (Q_r est différent de K), celui-ci évolue spontanément vers son état d’équilibre.

La comparaison du quotient de réaction initial Q_r,i et de la constante d’équilibre K permet de prévoir dans quel sens le système chimique va évoluer.

On considère la transformation chimique modélisée par l’équation chimique suivante.

a A (aq) + b B (aq) c C (aq) + d D (aq)

On définit un sens direct de l’équation chimique et un sens inverse.

_{Sens direct}
a A (aq) + b B (aq) c C (aq) + d D (aq)
^{Sens inverse}

Si Q_r,i est strictement inférieur à K, le système évolue dans le sens direct.
Si Q_r,i est strictement supérieur à K, le système évolue dans le sens inverse.

Sens d’évolution spontané d’un système chimique

Évalue ce cours !

Note 4.4 / 5. Nombre de vote(s) : 78

Des quiz et exercices pour mieux assimiler sa leçon

La plateforme de soutien scolaire en ligne myMaxicours propose des quiz et exercices en accompagnement de chaque fiche de cours. Les exercices permettent de vérifier si la leçon est bien comprise ou s’il reste encore des notions à revoir.

S’abonner

Des exercices variés pour ne pas s’ennuyer

Les exercices se déclinent sous toutes leurs formes sur myMaxicours ! Selon la matière et la classe étudiées, retrouvez des dictées, des mots à relier ou encore des phrases à compléter, mais aussi des textes à trous et bien d’autres formats !

Dans les classes de primaire, l’accent est mis sur des exercices illustrés très ludiques pour motiver les plus jeunes.

S’abonner

Des quiz pour une évaluation en direct

Les quiz et exercices permettent d’avoir un retour immédiat sur la bonne compréhension du cours. Une fois toutes les réponses communiquées, le résultat s’affiche à l’écran et permet à l’élève de se situer immédiatement.

myMaxicours offre des solutions efficaces de révision grâce aux fiches de cours et aux exercices associés. L’élève se rassure pour le prochain examen en testant ses connaissances au préalable.

S’abonner

Des vidéos et des podcasts pour apprendre différemment

Certains élèves ont une mémoire visuelle quand d’autres ont plutôt une mémoire auditive. myMaxicours s’adapte à tous les enfants et adolescents pour leur proposer un apprentissage serein et efficace.

Découvrez de nombreuses vidéos et podcasts en complément des fiches de cours et des exercices pour une année scolaire au top !

S’abonner

Des podcasts pour les révisions

La plateforme de soutien scolaire en ligne myMaxicours propose des podcasts de révision pour toutes les classes à examen : troisième, première et terminale.

Les ados peuvent écouter les différents cours afin de mieux les mémoriser en préparation de leurs examens. Des fiches de cours de différentes matières sont disponibles en podcasts ainsi qu’une préparation au grand oral avec de nombreux conseils pratiques.

S’abonner

Des vidéos de cours pour comprendre en image

Des vidéos de cours illustrent les notions principales à retenir et complètent les fiches de cours. De quoi réviser sa prochaine évaluation ou son prochain examen en toute confiance !

S’abonner

Profs en ligne

Découvrez le soutien scolaire en ligne avec myMaxicours

Plongez dans l'univers de myMaxicours et découvrez une approche innovante du soutien scolaire en ligne, conçue pour captiver et éduquer les élèves de CP à la terminale. Notre plateforme se distingue par une riche sélection de contenus interactifs et ludiques, élaborés pour stimuler la concentration et la motivation à travers des parcours d'apprentissage adaptés à chaque tranche d'âge. Chez myMaxicours, nous croyons en une éducation où chaque élève trouve sa place, progresse à son rythme et développe sa confiance en soi dans un environnement bienveillant.

Profitez d'un accès direct à nos Profs en ligne pour une assistance personnalisée, ou explorez nos exercices et corrigés pour renforcer vos connaissances. Notre assistance scolaire en ligne est conçue pour vous accompagner à chaque étape de votre parcours éducatif, tandis que nos vidéos et fiches de cours offrent des explications claires et concises sur une multitude de sujets. Avec myMaxicours, avancez sereinement sur le chemin de la réussite scolaire, armé des meilleurs outils et du soutien de professionnels dédiés à votre épanouissement académique.

EXERCE-TOI EN T'ABONNANT