Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment expliquer l’effet d'un changement de température, de concentration ou de pression sur un équilibre selon le principe de Le Chatelier.
Il existe beaucoup de proverbes parmi les jardiniers sur la taille des arbres et des arbustes. Certains jardiniers disent que pour qu’un rosier pousse deux fois plus vite, il faut d’abord tailler ses branches. L’idée est que la plante résiste au changement qui lui a été imposé. Le rosier repousse donc rapidement pour remplacer ce qui a été perdu. En chimie, une idée similaire s’applique aux réactions chimiques à l’équilibre.
Définition : Équilibre dynamique
Lors d’une réaction chimique réversible, l’équilibre dynamique est atteint lorsque la vitesse de la réaction directe est égale à la vitesse de la réaction inverse. Les concentrations des réactifs et des produits restent alors constantes. Les vitesses des réactions directe et inverse ne sont pas nulles. La réaction doit se produire en milieu fermé.
Lorsque les réactions chimiques atteignent l’équilibre dynamique, des changements interviennent toujours au niveau microscopique ou moléculaire. La notion d’équilibre dynamique est différente de celle de l’équilibre statique. Ces changements microscopiques sont en équilibre les uns avec les autres, et donc il n’y a pas de changement global du système pour l’observateur extérieur.
Par exemple, une réaction chimique en équilibre dynamique dans un système fermé peut conserver la même couleur. Cette couleur dépend bien sûr de la couleur des réactifs et des produits mis en œuvre dans la réaction. Un exemple de système en équilibre est la réaction de dissociation du peroxyde d’azote en dioxyde d’azote :
Le dioxyde d’azote est un gaz brun foncé ou brun rougeâtre, tandis que le peroxyde d’azote est un gaz incolore. À l’équilibre, la présence des deux gaz dans le mélange se traduit par une couleur constante marron pâle. Si un changement soudain est apporté à ce mélange gazeux alors qu’il est à l’équilibre, on observera un changement de couleur.
Les changements pouvant intervenir dans ce système sont notamment relatifs à la température, à la pression et à la concentration. N’importe lequel de ces changements peut entraîner un déplacement de l’équilibre.
Un catalyseur augmente de manière égale la vitesse de la réaction directe et la vitesse de la réaction inverse ; sa présence n’affecte donc pas la position de l’équilibre. Les catalyseurs permettent simplement au système d’atteindre plus rapidement l’équilibre. L’équilibre se déplacera soit dans la direction des réactifs, soit dans la direction des produits. Un déplacement dans la direction des réactifs est souvent appelé déplacement vers la gauche. En revanche, un déplacement dans la direction des produits est souvent appelé déplacement vers la droite. Lorsqu’un système en équilibre est brusquement perturbé, il réagit jusqu’à ce qu’un nouvel état d’équilibre s’établisse. Le chimiste français Henri Louis Le Chatelier a été l’un des premiers à étudier l’effet de différents paramètres sur les états d’équilibre. De cette étude est né le principe de Le Chatelier.
Définition : Principe de Le Chatelier
Dans un équilibre dynamique, la perturbation des conditions du milieu réactionnel (concentration, température ou pression) entraîne un déplacement de la position de l’équilibre qui tend à s’opposer au changement.
Nous pouvons examiner le fonctionnement du principe de Le Chatelier en appliquant l’idée à différents systèmes à l’équilibre. Nous allons d’abord découvrir comment la modification de la concentration affecte la position de l’équilibre.
Si des ions fer(III) sont ajoutés à une solution d’ions thiocyanate (), une couleur rouge sang apparaît rapidement avec la formation de l’ion thiocyanate de fer(III). La couleur est causée par un ion complexe de formule . À des concentrations initiales relativement faibles de réactifs, la couleur rouge sang est peu intense et un équilibre est rapidement établi :
Dans le mélange à l’équilibre, si la concentration de l’une des espèces est brusquement altérée, on observera une modification de l’état d’équilibre. La réponse se fera selon le principe de Le Chatelier. Par exemple, l’ajout d’un sel soluble de fer(III) au mélange tel que le nitrate de fer(III) augmentera la concentration des ions fer(III) dans la solution. En réponse à ce changement, l’équilibre se déplacera du côté des produits, ou du côté droit. Ce déplacement de la position de l’équilibre s’oppose au changement appliqué. Certains des ions fer(III) supplémentaires ajoutés au mélange vont réagir avec les ions disponibles. La concentration des ions fer(III) diminue, de même que la concentration des ions . La concentration des ions complexes augmentera au fur et à mesure que l'équilibre sera rétabli. La couleur rouge sang du mélange deviendra alors plus intense.
Par contre, on pourrait extraire une partie des ions dissouts du mélange à l’équilibre. Cela pourrait être réalisé par précipitation en ajoutant quelques gouttes d’une solution d’hydroxyde de sodium. L’équilibre s’opposerait au changement et se déplacerait vers la gauche afin de remplacer les ions retirés de la solution. On observerait alors une décoloration de la solution rouge sang vers une couleur rouge plus pâle.
Exemple 1: Déterminer comment une variation de concentration affecte la position d’équilibre
Le trichlorure d’iode est un composé interhalogène jaune vif formé par la réaction
Que sera l'effet de l’élimination du chlore sur la position de l’équilibre ?
- L’équilibre se déplacera vers la droite.
- L’équilibre se déplacera vers la gauche.
- L’équilibre restera stable.
Réponse
Le chlore se trouve au côté gauche de l’équation d’équilibre. Si une partie du chlore est éliminée, alors l’équilibre réagira dans le sens qui s’oppose au changement. Il s’agit du principe de Le Chatelier. L’équilibre se déplacera vers la gauche pour former le chlore éliminé. Et par conséquence, la concentration de trichlorure d’iode dans la solution va diminuer. La couleur jaune vif du trichlorure d’iode sera remplacée par la couleur rouge/brun plus foncée du monochlorure d’iode.
La bonne réponse est B. L’équilibre se déplacera vers la gauche.
Dans un milieu réactionnel en équilibre impliquant des particules gazeuses, les particules sont en perpétuelle collision les unes avec les autres. Les particules entrent également en collision avec les parois du récipient assurant que le système est fermé. Ces collisions avec le récipient exercent une pression sur le réacteur. La pression totale dans le récipient est directement liée au nombre de particules de gaz qu’il contient.
La position d’équilibre dans un système en phase gazeuse peut être influencée par la pression totale du système. Si la pression totale augmente brusquement, les particules de gaz tendent à se rapprocher. Pour diminuer la pression, l’équilibre peut se déplacer afin de s’opposer au changement. Ceci est conforme au principe de Le Chatelier. Prenons par exemple la réaction de l’azote gazeux avec l’hydrogène gazeux pour produire de l’ammoniac gazeux :
Dans cette réaction, une molécule d’azote réagit avec trois molécules d’hydrogène pour former deux molécules d’ammoniac. Il y a quatre molécules du côté gauche de l’équation, et seulement deux du côté droit. Si l’équilibre devait se déplacer vers la droite, formant ainsi plus d’ammoniac, il y aurait alors une diminution du nombre total de molécules dans le système. Cela entraînerait une diminution de la pression totale du système. Si on augmentait la pression totale du système, le changement de pression s’opposerait à un déplacement vers la droite. Plus d’ammoniac se formerait avec le rétablissement de l’équilibre.
De façon générale, une augmentation de la pression favorise la réaction qui produit moins de molécules de gaz, ou moins de moles de gaz. Une diminution de la pression favorise la réaction qui produit plus de moles de gaz. Dans la réaction de l’azote avec l’hydrogène, un rendement en ammoniac plus élevé est obtenu si la réaction est effectuée à une pression plus élevée.
Certaines réactions en phase gazeuse comprennent le même nombre de moles de particules de gaz de chaque côté de l’équation équilibrée. La réaction de l’hydrogène avec l’iode gazeux pour produire de l’iodure d’hydrogène gazeux en est un exemple :
Dans ce cas, une variation de la pression totale du mélange à l’équilibre n’aura aucun effet sur la position de l’équilibre. Ainsi, un déplacement de la position d’équilibre vers la gauche ou la droite ne pourra pas s’opposer aux variations de pression.
Exemple 2: Déterminer comment un changement de pression affecte la position d’équilibre
La réaction suivante fait partie du procédé d’Ostwald qui produit de l’acide nitrique :
Laquelle des affirmations suivantes explique pourquoi le pourcentage de produit peut diminuer dés que la pression augmente ?
- L’augmentation de la pression déplace l’équilibre vers la droite.
- La réaction directe est favorisée par une augmentation de la pression.
- Le volume total de gaz augmente pour la réaction inverse.
- Il y a moins de moles de gaz du côté du réactif.
Réponse
Dans cette réaction, il y a un total de neuf moles du côté des réactifs. Elles sont composées de quatre moles d’ammoniac plus cinq moles d’oxygène. Du côté des produits, il y a un total de dix moles. Elles sont composées de quatre moles de et six moles de vapeur d’eau. Si nous augmentons la pression totale du système, l’équilibre se déplace vers le côté avec le moins de moles de gaz. C’est pour s’opposer au changement qui a été appliqué. On s’attendrait à un déplacement vers le côté gauche de l’équilibre. Une partie du va réagir avec une partie de la vapeur d’eau pour produire plus d’ammoniac et d’oxygène. Le pourcentage de dans le nouveau mélange à l’équilibre sera donc réduit. La raison de cette réduction lorsque la pression augmente est qu'il y a moins de moles de gaz du côté du réactif, et donc la bonne réponse est D.
Nous allons maintenant découvrir l’effet de la température sur la position d’un équilibre. Prenons comme exemple la réaction du dioxyde d’azote en équilibre avec son dimère, le tétroxyde de diazote :
Ici, la réaction directe est exothermique. La réaction inverse est donc endothermique.
Définition : Réaction exothermique
Lors d’une réaction exothermique, de la chaleur est libérée par le système. L’enthalpie des produits est inférieure à l’enthalpie des réactifs.
Définition : Réaction endothermique
Lors d’une réaction endothermique, de la chaleur est absorbée par le système. L’enthalpie des produits est supérieure à l’enthalpie des réactifs.
Si l’équilibre se déplace vers le côté droit, plus de peroxyde d’azote sera formé. Ce gaz est de couleur pâle, beaucoup plus pâle que le dioxyde d’azote brun foncé. La réaction directe étant exothermique, un dégagement de chaleur accompagnera la formation de peroxyde d’azote.
Si l’équilibre se déplace vers le côté gauche, une plus grande quantité de dioxyde d’azote brun foncé est produite. C’est un processus endothermique au cours duquel de la chaleur serait absorbée.
Si on place dans l’eau chaude un mélange de ces gaz à l’équilibre, de la chaleur sera fournie au système. Le principe de Le Chatelier suggère que le système s’opposera au changement. Pour absorber la chaleur ajoutée, l’équilibre se déplacera dans la direction endothermique. Le mélange prendra une couleur plus foncée avec la formation du dioxyde d’azote.
En plaçant le mélange à l’équilibre dans de l’eau glacée, l’équilibre se déplacera dans la direction exothermique pour s’opposer à la perturbation. Cela favorise la production de peroxyde d’azote, qui est un gaz pâle. La couleur du mélange gazeux devient plus pâle du fait de la diminution de la quantité de dioxyde d'azote brun foncé présent dans le nouveau mélange d'équilibre.
Exemple 3: Déterminer comment une variation de température affecte la position d’équilibre
Le est un gaz brun qui peut exister en équilibre avec le péroxyde d’azote incolore, comme indiqué dans la réaction :

Le changement d’enthalpie de la réaction directe est-il exothermique ou endothermique ? Laquelle des ampoules illustrées est soumise à la température la plus élevée ?
- La réaction directe est endothermique, et l’ampoule de gauche est la plus chaude.
- La réaction directe est exothermique, et l’ampoule de gauche est la plus chaude.
- La réaction directe est endothermique, et l’ampoule de droite est la plus chaude.
- La réaction directe est exothermique, et l’ampoule de droite est la plus chaude.
Réponse
La réaction directe implique ici une réaction entre deux molécules identiques entraînant une formation de liaison. Nous pouvons voir que la variation d’enthalpie indiquée pour la réaction directe est négative. Cela signifie que la réaction directe est exothermique. Une température élevée favorisera donc la réaction inverse endothermique. L’équilibre se déplacera alors vers le côté gauche. Lorsque la température est élevée, on s’attend à une quantité plus importante de dans le mélange à l’équilibre. Le étant un gaz brun, le mélange va s’assombrir. L’ampoule à droite de l’image est la plus sombre car elle contient la plus grande quantité de dioxyde d’azote. Cela indique que l’ampoule de droite est la plus chaude ; la bonne réponse est D.
Exemple 4: Déterminer comment une variation de température affecte la position d’équilibre
Dans la production industrielle d’éthanol, on utilise de l’éthène et de la vapeur, comme c’est indiqué par l’équation :
Sachant que la réaction directe est exothermique, que sera l’effet de l’augmentation de la température sur la position de l’équilibre ?
- L’équilibre restera stable.
- L’équilibre se déplacera vers la gauche.
- L’équilibre se déplacera vers la droite.
Réponse
Comme la réaction directe est exothermique, alors de la chaleur sera libérée si l’équilibre se déplace dans cette direction. Appliquer plus de chaleur au système en augmentant la température favorise le processus endothermique. Avec une augmentation de la température, l’équilibre s’opposera au changement et se déplacera dans la direction endothermique. Cela résulte en un déplacement vers la gauche. Le rendement en éthanol dans le mélange diminuerait.
La bonne réponse est B. L’équilibre va se déplacer vers la gauche.
Points clés
- Un équilibre dynamique est établi dans un système fermé lorsque la vitesse de la réaction directe, lors d’une réaction réversible, est égale à la vitesse de la réaction inverse.
- Si une perturbation est apportée au système en équilibre, la position d’équilibre se déplacera pour s’opposer au changement qui a été appliqué. C’est la base du principe de Le Chatelier.
- Les changements qui peuvent affecter la position de l’équilibre sont notamment l’augmentation ou la diminution de la concentration, de la pression totale ou de la température.
- L’ajout d’un catalyseur n’a aucun effet sur la position d’un équilibre. Sa présence permet de réduire le temps nécessaire pour que le système atteigne l’équilibre.
- L’augmentation de la température d’un système en équilibre favorise le processus endothermique. Il pourrait s’agir soit de la réaction directe, soit de la réaction inverse, selon les variations d’enthalpie de ces processus respectifs.