Fiche explicative de la leçon: Équilibre dynamique

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à définir un équilibre dynamique, et à examiner comment un tel équilibre est établi.

Considérons la réaction chimique réversible suivante :

Au tout début de la réaction, la concentration d’azote et d’hydrogène gazeux est élevée, tandis que la concentration d’ammoniac est nulle car ce dernier n’a pas encore été formé.

Au cours de la réaction, l’azote et l’hydrogène réagissent pour former de l’ammoniac. Si on suit l’évolution de la concentration de chaque espèce dès le début de la réaction, on peut voir les concentrations en azote et hydrogène diminuer et la concentration en ammoniac augmenter.

Si la réaction était irréversible et que ni l’azote ni l’hydrogène n’étaient en excès, les réactifs seraient complètement transformés en ammoniac.

Cependant, cette réaction est réversible. Au bout d’un moment, la réaction atteint un point où les concentrations en azote, en hydrogène et en ammoniac ne changent plus, quel que soit le temps de suivi de la réaction. Lorsque ce point est atteint, on dit que la réaction est à l’équilibre.

Il est important de comprendre ce qui se passe à l’équilibre. Le graphique ci-dessus, pour la réaction à l’équilibre, montre une concentration en azote de 3 mol/L, une concentration en hydrogène de 9 mol/L et une concentration en ammoniac de 4 mol/L. On pourrait simplement penser que la réaction s’arrête, parce que les concentrations des produits et des réactifs ne changent plus. Mais en réalité, les deux réactions, la réaction directe et la réaction inverse continuent de se dérouler simultanément, à la même vitesse constante. Cela signifie que lorsqu’une mole d’azote et trois moles d’hydrogène réagissent pour former deux moles d’ammoniac, deux moles d’ammoniac réagissent pour former un mole d’azote et trois moles d’hydrogène. Le résultat est qu’il n’y a pas de variation nette de la quantité d’azote, d’hydrogène ou d’ammoniac. Cela est illustré par la figure ci-dessous.

Cet équilibre est dit dynamique car les réactions continuent de se produire. Pour qu’une réaction chimique se trouve en équilibre dynamique, la vitesse de la réaction directe et la vitesse de la réaction inverse doivent être identiques et constantes. Lorsque les vitesses des réactions directe et inverse sont les mêmes, les concentrations des réactifs et des produits restent constantes, même si les deux réactions continuent de se produire.

Définition : Équilibre dynamique

L’équilibre dynamique est un équilibre entre les réactions directe et inverse où les deux réactions ont lieu à la même vitesse non nulle.

Exemple 1: Identifier l’affirmation incorrecte sur les équilibres dynamiques

Cinq élèves sont invités à écrire la définition d’un équilibre dynamique. Quel élève n’a pas entièrement compris le concept ?

Un équilibre dynamique est une réaction réversible qui s’arrête lorsque la quantité de chaque substance est stable.
Un équilibre dynamique est une réaction réversible où la concentration de chaque substance ne change pas.
Un équilibre dynamique est une réaction où la vitesse de la réaction directe est égale à la vitesse de la réaction inverse.
Un équilibre dynamique est une réaction qui va dans les deux sens, où la quantité de chaque substance ne change pas.
Un équilibre dynamique correspond à une réaction directe et inverse qui ont lieu au même moment et à la même vitesse.

Réponse

Un équilibre dynamique s’établit lorsque les réactions directe et inverse d’une réaction réversible se déroulent à la même vitesse constante. À l’équilibre dynamique, la concentration des réactifs et des produits reste constante, bien que les réactions directe et inverse continuent de se dérouler.

Tous les élèves ont compris qu’une réaction réversible, une réaction qui se produit dans les deux sens, est nécessaire à l’équilibre dynamique. Tous les élèves ont compris que la vitesse des réactions directe et inverse est la même ou que la concentration de toutes les substances impliquées reste constante à l’équilibre. Cependant, l’élève A affirme que la réaction s’arrête lorsque la quantité de chaque substance reste stable. Ce n’est pas le cas. Les réactions directe et inverse continuent de se produire à l’équilibre. L’élève qui n’a pas entièrement compris le concept est l’élève A.

Revenons à cette réaction :

Toutes les espèces impliquées dans la réaction sont des gaz. Si la réaction avait lieu dans un récipient ouvert, les gaz pourraient s’échapper et l’équilibre ne serait pas atteint.

Un équilibre dynamique ne peut s’établir que lorsque toute la matière initialement présente dans le récipient de réaction y reste. Pour que cela soit vrai, la réaction doit se produire dans un système fermé. Un système fermé permet le transfert d’énergie mais pas de matière, tandis qu’un système ouvert permet le transfert de matière et d’énergie.

Définition : Système fermé

Un système fermé est un système qui n’échange pas de matière mais peut échanger de l’énergie avec son environnement.

Définition : Système ouvert

Le système ouvert est un système qui peut échanger de la matière et de l’énergie avec son environnement.

En chimie, un exemple de système ouvert est un tube à essai. Si une réaction avait lieu dans un tube à essai, la matière pourrait facilement être perdue par le haut du tube. On peut transformer un tube à essai en système fermé en lui mettant un bouchon. Cela empêche la perte de matière.

Exemple 2: Reconnaître la raison pour laquelle une réaction n’atteint pas l’équilibre

L’oxyde de calcium peut être produit à grande échelle en chauffant du carbonate de calcium dans un four. Comme le four consomme beaucoup d’énergie pour atteindre la température requise, on ajoute généralement du carbonate de calcium en continu pour maintenir la réaction en marche comme suit :

Pourquoi cette réaction n’atteint-elle pas l’équilibre ?

La réaction est irréversible.
La quantité de réactifs et de produits reste constante.
Le four est trop chaud.
Le four n’est pas un système fermé.
La vitesse de réaction est trop faible.

Réponse

L’équilibre dynamique s’établit lorsque la vitesse des réactions directe et inverse est la même. Les réactions dans un équilibre dynamique peuvent être aussi bien lentes que rapides, tant que les vitesses des réactions directe et inverse sont les mêmes. Donc, nous pouvons éliminer la réponse E.

Par définition, une réaction à l’équilibre doit pouvoir se dérouler dans les deux sens. Autrement dit, la réaction doit être réversible. Les équations de réactions réversibles utilisent une flèche d’équilibre . La réaction représentée est réversible. Ainsi, nous pouvons éliminer la réponse A.

Au cours du processus, du carbonate de calcium est ajouté dans le four pour que la réaction continue. Par conséquent, la quantité de réactif change. Donc, nous pouvons éliminer la réponse B.

La température d’une réaction peut affecter l’équilibre général, mais un équilibre peut s’établir quelle que soit la température. Nous pouvons alors éliminer la réponse C.

Il reste la réponse D. Le four n’est pas un système fermé. Cela implique que le dioxyde de carbone peut s’échapper du four. Si le dioxyde de carbone n’est plus présent, le four ne contient plus les composés nécessaires à la réaction inverse. Sans la réaction inverse, il ne peut pas s’établir d’équilibre. Donc, la bonne réponse est D.

Prenons l’équilibre suivant :

Le tétraoxyde de diazote est un gaz incolore et le dioxyde d’azote est un gaz marron foncé. Lorsqu’on introduit du tétraoxyde de diazote dans un système fermé, sa concentration initiale est élevée, et la concentration de dioxyde d’azote est au départ nulle puisque ce dernier n’a pas encore été formé.

Au départ, la vitesse initiale de la réaction de à est élevée car il n’y a pas encore de produit et donc pas de réaction inverse en compétition avec la réaction directe. Lorsque le dioxyde d’azote commence à se former, la réaction directe commence à ralentir car il y a moins de molécules de réactif. Simultanément, la vitesse de la réaction inverse commence à augmenter, puisqu’il y a de plus en plus de molécules de produit. Au cours de ce processus, le milieu réactionnel va commencer à prendre une couleur brune, due au dioxyde d’azote dont la concentration augmente.

Au bout d’un moment, le milieu réactionnel ne change plus de couleur. À ce stade, la vitesse des réactions directe et inverse est la même et les concentrations du produit et du réactif restent constantes. La réaction est en équilibre dynamique. Bien que les concentrations du produit et du réactif restent constantes, les réactions se poursuivent, avec se transformant en et se transformant simultanément en .

Il est important de savoir que l’équilibre dynamique est atteint lorsque les vitesses de réaction directe et inverse sont identiques, pas lorsque les concentrations des réactifs et des produits sont identiques. Il est également important de comprendre que la concentration des produits peut dépasser ou non la concentration des réactifs à l’équilibre. Les courbes ci-dessous montrent l’évolution des concentrations de tétraoxyde de diazote et de dioxyde d’azote au cours du temps.

Remarquez que, sur le graphique le plus à droite, ni ni n’ont une concentration initiale nulle. Par contre, dans les trois exemples, nous pouvons déterminer le moment où l’équilibre dynamique est atteint, en déterminant l’instant auquel les concentrations ne changent plus (c’est-à-dire l’instant où la pente des deux courbes devient nulle, indiqué par la ligne pointillée).

Exemple 3: Identifier le graphique d’un équilibre dynamique à l’aide des concentrations initiale et à l’équilibre

L’équilibre dynamique s’établit entre deux composés A et B selon l’équation ci-dessous :

Le composé A a une concentration initiale de 0,8 mol/dm³, qui chute à 0,4 mol/dm³ une fois l’équilibre atteint.

Quel est le graphique correct pour cet équilibre ?

Réponse

La concentration initiale de A est de 0,8 mol/dm³. Cela signifie qu’à l’état initial, la courbe de la concentration de A doit être à 0,8 mol/dm³. En regardant les graphiques, nous pouvons éliminer les graphiques C et D car la concentration initiale de A dans ces graphiques est de 0 mol/dm³.

Une fois que l’équilibre est atteint, la concentration de A devrait être de 0,4 mol/dm³. L’équilibre s’établit lorsque la concentration de chaque composé ne change plus ou que la pente de la courbe est nulle. Les deux graphiques A et B indiquent une concentration de A de 0,4 mol/dm³ à l’équilibre.

Le composé B est le produit. Au début de la réaction, aucun produit ne doit être présent. Ainsi, à l’état initial, la concentration de B devrait être de 0 mol/dm³. C’est le cas dans les graphiques A et B.

En regardant les coefficients stoechiométriques de l’équation chimique, on peut voir qu’une mole de A produit deux moles de B. Cela signifie que lorsque la concentration de A diminue, la concentration de B doit augmenter du double de cette diminution.

La concentration de A est passée de 0,8 mol/dm³ à 0,4 mol/dm³. Ainsi, la concentration de A a diminué de 0,4 mol/dm³. La concentration de B devrait augmenter de deux fois cette quantité, donc de 0,8 mol/dm³. Si la concentration de B est initialement nulle, la concentration de B à l’équilibre doit être égale à 0,8 mol/dm³. Au moment où la courbe de B a une pente nulle, la concentration de B est de 0,4 mol/dm³ sur le graphique A et de 0,8 mol/dm³ sur le graphique B. Le graphique qui représente correctement l’équilibre est le graphique B.

Exemple 4: Identifier l’affirmation qui est toujours vraie à l’équilibre

Laquelle des affirmations suivantes concernant les concentrations est toujours vraie à l’équilibre ?

Les concentrations des produits sont supérieures à celles des réactifs.
Les concentrations des substances impliquées ne changent pas.
Les concentrations des réactifs et des produits changent constamment.
Les concentrations des substances impliquées sont égales.
Les concentrations des réactifs diminuent.

Réponse

Au début d’une réaction réversible, les vitesses des réactions directe et inverse varient. Cela entraîne une variation des concentrations des produits et des réactifs. Au bout d’un moment, la vitesse des réactions directe et inverse est la même. C’est à ce moment que l’équilibre est atteint. Les réactions directe et inverse ont toujours lieu, mais comme elles se produisent à la même vitesse, les concentrations des réactifs et des produits restent constantes. L’équilibre peut s’établir lorsque la concentration des réactifs est supérieure, inférieure ou égale à la concentration des produits. Ainsi, à l’équilibre, les concentrations des réactifs et des produits peuvent avoir n’importe quelle valeur, mais ces valeurs ne doivent pas fluctuer. L’affirmation qui est toujours vraie à l’équilibre est celle de la réponse B : les concentrations des substances impliquées ne changent pas à l’équilibre.

L’équilibre dynamique peut être décrit par la position d’équilibre, qu’on calcule en divisant la concentration des réactifs par la concentration des produits une fois que l’équilibre est atteint :

Lorsque la position d’équilibre est supérieure à 1, la concentration des réactifs est supérieure à celle des produits à l’équilibre.

Lorsque la position d’équilibre est inférieure à 1, la concentration des produits est supérieure à celle des réactifs à l’équilibre.

Lorsque la position d’équilibre est égale à 1, la concentration des réactifs est la même que celle des produits à l’équilibre.

La position d’équilibre d’un équilibre dynamique peut être modifiée en modifiant la concentration des réactifs ou des produits, la température ou la pression (pour les réactions impliquant des gaz). Par exemple, l’équilibre dynamique pour la transformation de en à température ambiante peut être représenté par le graphique suivant.

Ce graphique montre que la concentration de est plus grande que celle de à l’équilibre et que la position d’équilibre est supérieure à un. Cependant, si on augmente la température, davantage de peut être produit et la position d’équilibre est modifiée.

L’ajout d’un catalyseur à un équilibre dynamique n’a aucun effet sur la position d’équilibre. En effet, un catalyseur a pour effet d’accélérer les deux réactions, directe et inverse, dans la même mesure. Cependant, puisqu’un catalyseur permet d’augmenter la vitesse des réactions, l’équilibre s’établit plus rapidement.

Exemple 5: Identifier des facteurs qui influencent la position d’équilibre

Lequel des facteurs suivants n’affectera jamais la position d’un équilibre ?

la température
la présence d’un catalyseur
la concentration des réactifs
la pression
la concentration des produits

Réponse

La position d’un équilibre peut être déterminée en divisant la concentration des réactifs par la concentration des produits :

On peut modifier la position d’équilibre en modifiant la concentration des réactifs ou des produits, la température du milieu réactionnel ou la pression lorsque des gaz sont impliqués. L’ajout d’un catalyseur accélère la vitesse des réactions directe et inverse de la même façon. Ainsi, il permet d’atteindre l’équilibre plus rapidement, mais la position d’équilibre ne sera pas changée. Le facteur qui n’influence jamais la position d’un équilibre est donc la présence d’un catalyseur, réponse B.

Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.

Points clés

L’équilibre dynamique s’établit lorsque la vitesse des réactions directe et indirecte est la même.
À l’équilibre dynamique, les concentrations de toutes les espèces impliquées dans la réaction restent constantes.
L’équilibre dynamique ne peut s’établir que dans un système fermé.
La concentration, la température et la pression peuvent influencer la position d’équilibre.
L’ajout d’un catalyseur permettra à la réaction d’atteindre plus rapidement l’équilibre, mais ne changera pas la position d’équilibre.