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Notre planète est un immense système qui tend constamment vers l’équilibre. Qu’

Notre planète est un immense système qui tend constamment vers l’équilibre. Qu’est-ce que l’équilibre ? Quelles sont les conditions pour atteindre l’équilibre ? Quels facteurs peuvent le perturber ? I L’étude qualitative de l’état d’équilibre 295 7 CHAPITRE 7.1 Le smog, un brouillard épais formé de particules de suie et de gouttes d’eau, recouvre parfois le centre-ville de Montréal. D © ERPI Reproduction interdite 296 PARTIE IV S L’ÉQUILIBRE CHIMIQUE S THÉORIE Dans ce chapitre, nous ferons l’étude qualitative de l’état d’équilibre et des fac- teurs qui l’influencent. Cela nous permettra de prévoir l’évolution des systèmes dont les conditions ont été modifiées. Jusqu’à maintenant, nous avons vu que des transformations peuvent se réaliser dans les deux sens. G Si on interprète l’équation de gauche à droite: H2O(l) © H2O(g) Réaction directe: vaporisation G Si on interprète l’équation de droite à gauche: H2O(l) © H2O(g) Réaction inverse: condensation La synthèse et la décomposition, la respiration et la photosynthèse sont d’autres exemples de transformations qui s’effectuent dans les deux sens. De plus, nous n’avons considéré que des réactions complètes, selon des propor- tions définies. 7.1 Qu’est-ce que l’équilibre chimique ? CONCEPT DÉJÀ VU o Transformations physiques et chimiques LABO 23. L’OBSERVATION D’UN ÉTAT D’ÉQUILIBRE DÉFINITION Une réaction complète survient lorsque au moins un des réactifs d’une trans- formation s’est complètement transformé en produits. Toutefois, malgré la présence de réactifs en quantité suffisante et de conditions favorables, de nombreuses transformations ne parviennent pas à se réaliser com- plètement. Les réactifs coexistent alors avec les produits d’une même transforma- tion; il s’agit d’une réaction incomplète. Par exemple, l’eau d’un lac ne gèle pas complètement en hiver, même si la température du milieu environnant descend sous le point de congélation. Le calcaire (CaCO3), qui forme les roches sédimentaires et qu’on trouve dis- sous dans les cours d’eau, ne précipite pas complète- ment, même s’il s’agit d’un sel peu soluble. Pourquoi ces réactions sont-elles in- complètes ? C’est que des réactifs se transforment en produits, tandis qu’au même moment des produits se transforment en réactifs. Ces réac- tions s’effectuent dans les deux sens en même temps. On dit que ce sont des réactions réversibles: la réaction directe et la réaction inverse se pro- duisent simultanément. En théorie, dans des conditions favorables, toute réaction est réversible. En pratique, certaines le sont plus facilement que d’autres. ÉTYMOLOGIE «Sédiment» vient du mot latin sedimentum, qui si- gnifie «tassement, fond», et du verbe italien sedere, «être assis, séjourner, demeurer fixé». 7.2 Malgré des températures hivernales, l’eau de ce lac n’est pas complètement gelée. © © ERPI Reproduction interdite CHIMIE I C H A P I T R E 7 CHAPITRE 7 S L’ÉTUDE QUALITATIVE DE L’ÉTAT D’ÉQUILIBRE S THÉORIE 297 DÉFINITION Une réaction réversible survient lorsque, au même moment et au même endroit, les réactifs se transforment en produits et les produits se transforment en réactifs. 7.4 Trois ballons reliés à un manomètre. Note: À 25 °C, l’augmentation de pression équivaudrait à 3,2 kPa (voir le chapitre 2), soit la pression de vapeur de l’eau. Pour représenter une réaction réversible, on utilise deux demi-flèches pointant en sens opposés, superposées l’une à l’autre, comme ceci: Réactifs Produits En guise d’exemple, prenons la réaction réversible de la dissolution et de la préci - pi tation du carbonate de calcium, qui se traduit par l’équation suivante: CaCO3(s) Ca2+(aq) + CO32-(aq) Le carbonate de calcium, un électrolyte, est notam- ment sécrété par les coraux. Il s’ionise dans l’eau, for- mant des ions Ca2+, dont la présence est caractéris- tique de l’eau dure et contribue à la salinité de l’eau de mer. Comme il s’agit d’un sel peu soluble, il précipite. C’est ce précipité qui forme les structures spectacu- laires des récifs coralliens. Illustrons de nouveau le phénomène de réaction réver - sible, cette fois à partir d’une manipulation faite en labo ratoire. G On met de l’eau dans un contenant, qu’on ferme. Le contenant ne contient alors que de l’eau sous forme liquide et une certaine quantité d’air (voir la FIGURE 7.4). G De la vapeur d’eau se forme peu à peu à la surface du liquide: c’est le début de l’évaporation. La pression augmente alors graduellement en fonction du nom- bre de molécules de gaz formées. G La pression partielle du gaz finit par égaler la pression de la vapeur d’eau asso- ciée à la température du système. À cette étape, il n’y a plus de changements apparents: le volume d’eau, la pression, la température sont constants. 7.3 La dissolution et la précipitation du carbonate de calcium est caractéristique des récifs coralliens. ANIMATION Phase liquide Phases liquide et gazeuse Équilibre des phases liquide et gazeuse 25 °C 25 °C 25 °C H2O(l) H2O(l) H2O(g) H2O(g) H2O(l) © ERPI Reproduction interdite 298 PARTIE IV S L’ÉQUILIBRE CHIMIQUE S THÉORIE DÉFINITION L’équilibre est un état dans lequel la vitesse de la réaction directe (vdir) est égale à la vitesse de la réaction inverse (vinv). vdir = vinv L’équilibre a un caractère dynamique puisqu’il y a un échange perpétuel entre les réactifs et les produits. C’est pour cette raison qu’on parle souvent d’«équilibre dynamique», par opposi- tion à «équilibre statique», où il n’y a pas d’échange possible. ÉTYMOLOGIE «Équilibre» vient du latin æquilibrium, qui signifie «exacti- tude des balances». 7.5 Comme la bouteille ne contient qu’une substance en phase liquide, il s’agit d’un exemple d’équilibre statique. 7.6 L’échange perpétuel entre un liquide et sa vapeur est un exemple d’équilibre dynamique. Le système d’emprunt de livres dans une bibliothèque est une ana logie qui illustre bien ce qu’est un état d’équilibre. Si le nombre d’emprunts est égal au nombre de retours, la quan tité de livres à la bibliothèque demeure constante. On dit alors que le système formé par la bibliothèque est à l’équilibre. De plus, il s’agit d’un équilibre dynamique puisque ce ne sont pas toujours les mêmes livres qu’on trouve sur les rayons de la bibliothèque. L’équilibre peut être physique ou chimique. Il est physique lors - qu’il est associé à une transformation physique, par exemple l’équi libre entre un liquide et sa vapeur. Il est chimique lorsqu’il est associé à une transformation chimique. Par exemple, la syn- thèse du HI: 7.7 L’emprunt et le retour des livres dans une bibliothèque illustrent bien l’état d’équilibre. H2(g) Incolore + I2(g) Violet 2 HI(g) Incolore À vue d’œil, aucune transformation ne semble avoir lieu. Dans les faits, il y a une transformation perpétuelle entre les molécules d’eau liquide et la vapeur d’eau. Comme les quantités de molécules de chaque phase ne varient pas, on peut sup- poser que la vitesse d’évaporation de l’eau est égale à la vitesse de condensation de la vapeur. On dit alors qu’il y a un équilibre entre l’eau dans sa phase liquide et l’eau dans sa phase gazeuse. © ERPI Reproduction interdite CHIMIE I C H A P I T R E 7 CHAPITRE 7 S L’ÉTUDE QUALITATIVE DE L’ÉTAT D’ÉQUILIBRE S THÉORIE 299 Si on effectue cette transformation dans un milieu clos, on peut suivre la progression de la réaction par la disparition de la couleur violette, caractéristique du diiode gazeux. Après un certain temps, la cou - leur se stabilise: son intensité ne change plus. On en déduit que les réactifs ne se sont pas complètement transformés en produits. Cette observation est confirmée par l’analyse de la FIGURE 7.8. Ainsi, à partir du temps te, il n’y a plus de changements apparents: les concentrations des réac tifs et des produits demeurent constantes. La réaction semble complètement arrêtée. Toutefois, grâce à nos connaissances des transformations de la matière, nous savons que ce n’est pas le cas: le sys- tème a simplement atteint l’équilibre. La vitesse de la synthèse de l’iodure d’hydrogène est alors égale à la vitesse de sa décomposition. Les conditions nécessaires pour atteindre l’équilibre Comme l’équilibre n’est pas visible, il importe d’établir des critères pour le recon- naître. Ainsi, pour atteindre l’équilibre, un système doit respecter trois conditions: 1. Contenir une réaction réversible. 2. S’effectuer dans un système fermé. 3. Présenter des propriétés macroscopiques constantes. Voyons plus en détail ce qu’implique chacune des conditions. 1. CONTENIR UNE RÉACTION RÉVERSIBLE Une réaction réversible s’effectue dans les deux sens. Elle implique la présence, au même moment et au même endroit, de tous les réactifs et de tous les produits d’une même transformation. S’il manque un réactif ou un produit, la réaction est irréversible. Voici des exemples où la réaction est irréversible: G Si un ou plusieurs réactifs sont complètement transformés en produits, c’est- à-dire qu’il y a eu réaction complète. G S’il y a perte d’un produit dans le milieu environnant. Cette condition est intimement liée au système dans lequel la transformation s’effectue: système ouvert ou fermé (condition 2). 2. S’EFFECTUER DANS UN SYSTÈME FERMÉ Qu’est-ce qu’un système fermé ? Voyons d’abord ce qu’est un système ouvert (voir aussi le chapitre 5). Pre nons l’exemple d’une bouteille d’eau. Si la bouteille est ouverte, la vapeur résul tant de l’évaporation de l’eau s’échappera du contenant. La bouteille cons titue alors un système uploads/Finance/ os-chimie-corrige-ch7-pdf.pdf