Chimie c1036

Les conditions nécessaires à l'équilibre chimique

Il est parfois difficile de déterminer si un système réactionnel est à l'état d'équilibre. En effet, contrairement à une réaction complète dans laquelle un des réactifs disparaît complètement, l'équilibre n'est pas visible à l'oeil nu. Les scientifiques ont donc déterminé trois conditions nécessaires à l'obtention d'un état d'équilibre. Ces trois conditions doivent être respectées afin de démontrer qu'un système réactionnel se trouve à l'état d'équilibre.

Pour être à l'équilibre, un système doit remplir trois conditions:

1. Contenir une réaction réversible

2. S'effectuer dans un système fermé

3. Présenter des propriétés macroscopiques constantes

1. Contenir une réaction réversible

Une réaction réversible est une réaction se déroulant simultanément dans le sens direct (des réactifs aux produits) et dans le sens indirect (des produits aux réactifs).

Pour qu'une réaction soit réversible, elle doit s'effectuer dans les deux sens simultanément. Pour ce faire, il doit y avoir, au même moment et au même endroit, présence de tous les réactifs et les produits impliqués dans la réaction. Les réactifs se transforment alors en produits en même temps que ceux-ci se transforment en réactifs. S'il manque une des substances en jeu, la réaction est alors irréversible et ne respecte pas la première condition de l'état d'équilibre.

L'état d'équilibre de solubilité du chlorure de sodium (NaCl) est atteint lorsque le point de saturation est dépassé. Lorsque le sel est complètement dissous, un des réactifs n'est plus apparent dans le système réactionnel et aucune transformation ne se déroule. Lorsque le sel forme un dépôt au fond de l'eau, tous les réactifs (l'eau et le sel) et le produit (l'eau salée) sont présents simultanément. Il s'agit alors d'une réaction réversible.

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2. S'effectuer dans un système fermé

Un système fermé est un système réactionnel qui ne permet pas d'échange de matière avec le milieu environnant. Dans un système réactionnel fermé, aucune matière ne peut y entrer ou en sortir; la quantité de matière impliquée y demeure donc constante. N’ayant subi aucune perte ni aucun gain de masse, la masse des réactifs du début est égale à la masse des réactifs et de produits à la fin. La réaction est alors incomplète. Les systèmes fermés permettent à une réaction réversible d'atteindre l'état d'équilibre. À l'inverse, un système ouvert ne permet pas aux réactions d'atteindre un état d'équilibre.

Un système ouvert est un système réactionnel qui permet les échanges de matière avec le milieu environnant.

En chimie, on dira que dans un système ouvert, la réaction chimique est complète (tous les réactifs ont été utilisés). Il n’y a donc pas d’équilibre, mais il y a possibilité de gain ou de perte de masse.

Un contenant ouvert n'est pas nécessairement un système ouvert. Selon la réaction étudiée, le contenant devra être fermé ou non pour former un système fermé.

Par exemple, dans le cas de la dissolution du sucre dans l'eau |Sucre_{(s)}| ↔ |Sucre_{(aq)}|, aucun gaz n'est impliqué. Le contenant peut donc être ouvert et il sera tout de même possible d'être en présence d'un système fermé s'il y a un dépôt de sucre au fond de l'eau.

Par contre, dans le cas de l'évaporation de l'eau |Eau_{(l)}| → |Eau_{(g)}|, le contenant devra être fermé pour qu'on puisse avoir un système fermé. Si ce n'est pas le cas, la vapeur d'eau pourra s'échapper dans l'environnement. 

Un erlenmeyer fermé (à gauche) constitue un système fermé peu importe les phases des substances impliquées. Toutefois, un erlenmeyer ouvert (à droite) peut être autant un système fermé qu'un système ouvert. Il sera considéré fermé dans le cas où aucune substance gazeuse n'est impliquée; dans le cas contraire, il sera considéré comme ouvert puisqu'il permettra un échange avec l'environnement.

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3. Présenter des propriétés macroscopiques constantes

Une propriété macroscopique est observable à l'oeil nu ou mesurable à l'aide d'un instrument.

Dans un système qui est à l'équilibre, il n'y a plus de changements visibles et tout semble stable. Cette immobilité apparente est causée par le fait que la quantité de réactifs et celle de produits demeurent constantes. Cette stabilité se traduit par des propriétés macroscopiques constantes. Parmi ces propriétés, on trouve la couleur, la pression, le volume, le pH et la température.

Si on considère la réaction suivante:
|H_{2(g)} + I_{2(g)} \rightleftharpoons 2 HI_{(g)}|
incolore  violet     incolore

Le système sera en équilibre lorsqu'il aura une couleur violet pâle. S'il était incolore, cela indiquerait que tous les réactifs se sont transformés en produits étant donné qu'il y aurait complète disparition des molécules colorées de diiode. Ainsi, le système ne serait plus à l'état d'équilibre.

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