Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à définir le caractère réversible des réactions chimiques et à identifier des exemples de processus réversibles et irréversibles.
Nous connaissons tous des processus réversibles et irréversibles qui se produisent dans notre vie quotidienne, par exemple, l’eau qui gèle pour former de la glace et la glace qui fond pour former de l’eau liquide sont des processus inverses et réversibles :
Cependant, la cuisson d’un gâteau implique des processus irréversibles. Les processus et les réactions qui se produisent entre les ingrédients d’un mélange à gâteau lors de la cuisson au four ne peuvent pas être inversés.
Examinons maintenant des réactions chimiques qui sont réversibles ou irréversibles. Une réaction chimique est un processus par lequel une ou plusieurs substances (appelées réactifs) sont transformées en une ou plusieurs substances différentes (appelées produits).
Définition : Réaction chimique
Une réaction chimique est un processus par lequel une ou plusieurs substances sont transformées en une ou plusieurs substances différentes.
Nous avons tendance à penser que les réactions progressent dans un seul sens :
Lorsqu’une réaction se déroule dans un seul sens, on dit qu’elle est irréversible.
Définition : Réaction irréversible
Une réaction irréversible consiste en une réaction qui se déroule dans un seul sens ; les produits ne peuvent donc pas réagir ensemble pour reformer les réactifs.
Un exemple de réaction irréversible est la combustion du combustible dans un bec Bunsen. Ce combustible est souvent un mélange de propane et de butane. Ces hydrocarbures réagissent avec le dioxygène présent dans l’air lorsqu’ils s’enflamment.
La réaction de combustion du propane est
Il s’agit d’une réaction irréversible.
La réaction est complète, ce qui signifie que toutes les particules de réactifs ont réagi pour être transformées en produits. Les produits, soit l’eau et le dioxyde de carbone, sont stables et, dans des conditions normales, ils ne réagissent pas spontanément pour reformer du propane et de le dioxygène. La réaction est donc irréversible.
Nous pouvons exprimer l’équation générale pour une réaction irréversible comme suit :
Exemple 1: Identifier une réaction irréversible à partir de certaines observations
Un alcool est consumé et un mélange de deux gaz différents est recueilli. Quelle conclusion peut-on tirer de cette observation ?
- Cette réaction est irréversible.
- L’équation de cette réaction utilise le symbole .
- Cette réaction est endothermique.
- L’alcool organique contient de l’eau de cristallisation.
- Cette réaction est réversible.
Réponse
Il est mentionné que la substance de départ de cette réaction est un alcool qui est enflammé. Lorsqu’une substance est consumée, nous pouvons supposer qu’elle brûle en présence d’air. En d’autres termes, nous supposons que cette substance subit une réaction de combustion avec le dioxygène présent dans l’air. Il est mentionné que deux gaz différents sont recueillis suite à la combustion de l’alcool. Comme ces deux gaz sont différents l’un de l’autre et également différents des deux substances de départ (l’alcool et le dioxygène), nous pouvons déduire qu’une réaction a réellement eu lieu. Comme la substance initiale, l’alcool, n’a pas été recueillie à la fin de la réaction, nous pouvons également supposer que tous les réactifs ont été transformés en produits et que les produits ne se sont pas recombinés pour reformer de l’alcool. Nous pouvons donc conclure que cette réaction est irréversible. Ainsi, la réponse appropriée est A, car la réaction est irréversible.
Cependant, dans la réalité, de nombreuses réactions peuvent également se produire dans le sens inverse. Les produits peuvent interagir ensemble pour reformer les réactifs en subissant la réaction inverse : ou
Ainsi, nous pouvons écrire l’équation en utilisant deux demi-flèches pointant dans des sens opposés. Ces flèches indiquent que la réaction peut se produire dans les deux sens : ou
Ce type de réaction porte le nom de réaction réversible. Au cours d’une telle réaction, les réactions directe et inverse se produisent simultanément. A et B réagissent ensemble pour former C et D en même temps que C et D réagissent ensemble pour former A et B.
Définition : Réaction réversible
Une réaction réversible est une réaction qui se déroule dans les deux sens, ce qui implique que les réactifs réagissent pour former des produits et que ces produits réagissent pour reformer les réactifs.
Il est important de souligner qu’en principe toutes les réactions sont réversibles. Cependant, les conditions nécessaires à la réaction inverse sont souvent très difficiles à obtenir. Par exemple, la réaction inverse pour la combustion du propane nécessiterait des conditions très spécifiques. Ces conditions ne sont pas facilement réalisables dans un laboratoire conventionnel et c’est pour cette raison que nous affirmons que seule la réaction directe se produit lors de cette combustion.
Exemple 2: Identifier l’affirmation qui décrit correctement une réaction réversible
Laquelle des affirmations suivantes est vraie en ce qui concerne les réactions réversibles ?
- Une réaction réversible est indiquée par le symbole dans une équation chimique.
- Une réaction réversible est endothermique dans les deux sens.
- Une réaction réversible implique toujours des sels hydratés et anhydres.
- Une réaction réversible est souvent une réaction de combustion.
- Une réaction réversible est une réaction chimique qui peut se produire dans les deux sens.
Réponse
Au cours d’une réaction réversible, les réactifs peuvent réagir pour former des produits et ces produits peuvent réagir pour reformer les réactifs. Voici l’équation générale pour une réaction réversible :
Ainsi, A et B peuvent réagir dans la réaction directe pour produire C et D, et C et D peuvent réagir simultanément dans la réaction inverse pour produire A et B. La réponse appropriée est E, qui stipule qu’une réaction réversible est une réaction chimique qui peut se produire dans les deux sens.
Les réactions réversibles sont plus évidentes lorsqu’elles sont incomplètes, ce qui signifie que tous les réactifs ne sont pas transformés en produits.
Un exemple de réaction réversible est illustré par le chlorure d’ammonium, un solide blanc, qui se décompose en deux produits différents, soit l’ammoniac gazeux et le chlorure d’hydrogène gazeux, lorsqu’il est chauffé. Lorsqu’ils sont refroidis, ces deux produits peuvent facilement réagir entre eux pour produire le réactif initial, soit le chlorure d’ammonium :
Parfois, l’embouchure du tube à essai est obstruée avec du coton pour empêcher les vapeurs refroidies de s’échapper, tout en permettant le passage des gaz plus légers dans l’air. De cette manière, les composants de la réaction sont confinés à l’intérieur du tube à essai et les produits gazeux peuvent réagir les uns avec les autres.
Cette réaction nous montre que l’énergie thermique (que ce soit son apport ou son retrait) est l’une des conditions qui peuvent influencer le sens d’une réaction réversible. Si une réaction directe est endothermique, comme dans le cas suivant, l’apport d’énergie thermique (en chauffant les produits chimiques) favorisera la réaction directe :
La réaction inverse sera alors exothermique. Le retrait de l’énergie thermique (en refroidissant les produits chimiques) favorisera la réaction inverse.
Cependant, il est important de se rappeler que toutes les réactions directes ne sont pas endothermiques et que toutes les réactions inverses ne sont pas exothermiques.
La réaction réversible
montre que la réaction directe est exothermique et que la réaction inverse est endothermique. La quantité d’énergie libérée par la réaction directe, en d’autres mots, la variation d’enthalpie (), est égale à la quantité d’énergie absorbée par la réaction inverse.
Les diagrammes énergétiques suivants montrent que la quantité d’énergie absorbée par la réaction endothermique d’une réaction réversible () ou libérée par la réaction exothermique d’une réaction réversible () est la même.
Exemple 3: Comprendre comment la réaction directe et la réaction inverse sont liées en termes de transfert énergétique
Dans la réaction chimique suivante, la réaction directe est endothermique :
Qu’est-ce qui doit être vrai à propos de la réaction inverse ?
- La réaction inverse a une variation énergétique globale plus faible.
- La réaction inverse a une variation énergétique globale plus grande.
- La réaction inverse est également endothermique.
- La réaction inverse est exothermique.
- La réaction inverse absorbe de la chaleur du milieu environnant.
Réponse
Il est mentionné que la réaction directe est endothermique. Cela signifie que cette réaction a besoin d’absorber de l’énergie thermique de l’environnement pour qu’elle puisse avoir lieu. La quantité d’énergie thermique transférée de l’environnement vers les réactifs au cours de ce processus de déshydratation (réaction directe) est la même que la quantité d’énergie transférée des produits vers l’environnement au cours de la réaction d’hydratation du produit anhydre . La réaction (inverse) d’hydratation est
Cette réaction inverse est exothermique et la réponse appropriée est donc D.
Le bris d’une liaison est généralement un processus endothermique, car un apport en énergie est nécessaire pour briser les liaisons dans les réactifs. Les atomes de réactifs se réorganisent ensuite pour former les produits. La formation de liaisons est généralement un processus exothermique qui libère de l’énergie. Nous disons qu’une réaction globale est endothermique si la quantité totale d’énergie absorbée est supérieure à la quantité totale d’énergie libérée. Inversement, lors d’une réaction exothermique, la quantité totale d’énergie libérée est supérieure à la quantité totale d’énergie absorbée.
Examinons maintenant d’autres exemples de réactions réversibles.
Le , soit le sulfate de cuivre(II) hydraté, est un solide cristallin bleu. Il contient de l’eau de cristallisation et c’est donc ce qu’on appelle un sel hydraté.
Définition : Sel hydraté
Un sel hydraté est un sel qui contient de l’eau de cristallisation.
Si nous chauffons certains de ces cristaux de sulfate de cuivre hydratés, nous observons qu’une vapeur blanche est dégagée et que les cristaux se transforment en poudre blanche. La vapeur est de l’eau à l’état gazeux. La poudre blanche restante est du sulfate de cuivre(II) anhydre ou déshydraté ().
Définition : Sel anhydre (déshydraté)
Un sel anhydre ou déshydraté est un sel qui ne contient pas d’eau de cristallisation.
Voici la réaction qui a eu lieu :
Nous pouvons également observer la réaction inverse en ajoutant quelques gouttes d’eau à la poudre blanche anhydre. La poudre blanche redeviendra bleue tel qu’illustré sur la photo ci-dessous. Le sulfate de cuivre(II) anhydre redevient bleu au fur et à mesure qu’il s’hydrate et, en raison de cette grande différence de couleur, nous pouvons utiliser le sulfate de cuivre(II) pour détecter la présence d’eau.
La réaction directe est endothermique et est favorisée par le chauffage. Inversement, en ajoutant de l’eau, la réaction inverse libère de l’énergie thermique étant donné qu’elle est exothermique. C’est souvent le cas des sels hydratés.
Exemple 4: Identifier l’affirmation inexacte à partir d’une liste d’affirmations décrivant une réaction réversible
Identifiez l’affirmation qui ne décrit pas correctement la réaction chimique suivante :
- Cette réaction est réversible.
- Des cristaux bleus sont formés.
- Du carbonate de sodium anhydre est produit.
- La réaction directe est endothermique.
- Du est formé.
Réponse
La réaction chimique est exprimée avec deux demi-flèches pointant dans des sens opposés et nous savons donc que la réaction est réversible. Le réactif peut se séparer pour former les produits et les produits peuvent se combiner pour reformer le réactif. L’affirmation A, soit cette réaction est réversible, décrit correctement la réaction.
Le réactif contient de l’eau de cristallisation et il s’agit donc d’un composé hydraté. Lorsqu’il est chauffé, le produit se forme ; ce dernier ne contient pas d’eau de cristallisation. Le produit est du carbonate de sodium anhydre dans lequel le mot anhydre signifie « sans eau de cristallisation ». Le choix de réponse C, soit du carbonate de sodium anhydre est produit, décrit correctement la réaction.
Afin de favoriser la réaction directe, en d’autres mots, d’éliminer l’eau de cristallisation du composé hydraté, de l’énergie thermique doit être absorbée par le réactif (). Par conséquent, la réaction directe est endothermique. Le choix de réponse D, soit la réaction directe est endothermique, décrit avec exactitude la réaction.
L’équation de réaction nous indique que l’eau à l’état gazeux est l’un des produits. Ainsi, le choix de réponse E, soit du est formé, est exact pour cette réaction.
Jusqu’à présent, nous avons vu que les choix de réponse A, C, D et E sont exacts. Par processus d’élimination, nous pouvons donc déduire que B, soit des cristaux bleus sont formés, ne constitue pas une description exacte du produit . Le est une substance blanche. (Une substance courante qui est cristalline et bleue est le , mais il existe beaucoup d’autres composés cristallins bleus.)
Si les réactions directe et inverse se produisent dans un système fermé, la réaction atteindra alors l’équilibre après une certaine durée. À titre d’exemple, c’est ce qui se produit avec des acides et des bases faibles en solution. Les acides et les bases faibles se dissocient dans l’eau de manière réversible. L’acide éthanoïque () en est un exemple : il n’est pas entièrement transformé en ions dans l’eau, mais certains ions se réassocient pour former du en même temps que d’autres molécules de se dissocient. La réaction, ou processus, réversible qui se produit est
Les processus direct et inverse se produisent en même temps et continueront à se produire simultanément jusqu’à ce que le système atteigne un état d’équilibre. À l’équilibre, les concentrations de toutes les espèces dans le système resteront constantes, mais ne seront pas nécessairement les mêmes. La concentration en du côté gauche de l’équation et la concentration en ions du côté droit de l’équation dépendent de certaines conditions, telles que la température. Si les conditions varient, l’équilibre « se déplacera » alors vers le côté gauche ou le côté droit de l’équation, ce qui modifiera la concentration de chaque espèce. Cependant, les réactions directe et inverse continueront de se produire. Elles se produiront à la même vitesse, et nous appellerons cette situation équilibre dynamique.
Définition : Équilibre dynamique
L’équilibre dynamique est un équilibre qui s’établit entre les réactions directe et inverse dans lequel les deux réactions se produisent à la même vitesse non nulle.
Il existe un autre type d’équilibre qui s’appelle l’équilibre statique. En situation d’équilibre statique, les vitesses des réactions directe et inverse sont toutes les deux nulles.
Définition : Équilibre statique
L’équilibre statique est un équilibre qui s’établit lorsque les vitesses des réactions directe et inverse sont toutes les deux nulles.
Les équilibres dynamique et statique sont expliqués plus en détail dans une autre fiche explicative.
Points clés
- Une réaction irréversible se déroule dans un seul sens, c’est-à-dire que les produits ne réagissent pas ensemble pour reformer les réactifs :
- Une réaction réversible se déroule dans les deux sens, c’est-à-dire que les réactifs réagissent pour former des produits et que ces produits réagissent ensemble pour reformer les réactifs :
- Certaines conditions, telles que la température, affectent les réactions réversibles.
- Si la réaction directe est exothermique, alors la réaction inverse sera endothermique.
- Si la réaction directe est endothermique, alors la réaction inverse sera exothermique.
- Au cours d’une réaction réversible, la quantité d’énergie transférée entre le système et le milieu environnant est la même pour les réactions directe et inverse.
- En situation d’équilibre dynamique, la vitesse des réactions directe et inverse est la même et est non nulle.
- En situation d’équilibre statique, la vitesse des réactions directe et inverse est nulle.
