L’équilibre chimique
I) Réaction acido-basique :
1° Couple acide/base
C6H5COOH/C6H5COO-
Acide benzoïque / ion benzoate
Demi-équation acido-basique :
C6H5COOH = C6H5COO- + H+
L’eau peut être acide ou basique, elle est ampholyte. C’est une espèce amphotère.
Rappels :
- Un acide est une entité chimique susceptible de libérer un proton H+
- Une base est une entité chimique susceptible de capter un proton H+
2° Réaction acido-basique :
Dans le 2 solide blanc.
C6H5COO- + H3O+ = C6H5COOH + H2O
Au cours de cette réaction, il y a transfert d’un proton de l’acide du couple H30+/H2O vers la base du couple C6H5COOH/C6H5COO-
Généralisation :
Soit HA1/A1- et HA2/A2-
HA1 = H+ + A1- H+ + A2- = HA2 HA1 + A2- = HA2 + A1-II) Définition et mesure du PH :
1° Définition du PH :
Pour des solutions diluées [H3O+] £ 5.10-2 mol.l-1
Ph = - log [H3O+] et [H3O+] = 10-Ph mol.l-1
Remarque : quand [H3O+] diminue le PH augmente et inversement.
2° Mesure du PH :
- papier Ph
- Ph mètre ( sonde de mesure, relié à un voltmètre électronique graduée en PH, constitué de deux électrodes séparée ou combiné) tel que U = a – b*PH a et b coeff. positif qui dépendent de la nature des électrodes et de la T°.
Faire un étalonnage du PH mètre en utilisant des solutions tampon. Lors des mesures, la sonde doit être immergée.
3° Précision des mesures :
Soit une solution aqueuse
PH = 5,30 (indiqué par le PH mètre)
Le Ph est connut à 0,05 unités près.
5,25 £ PH £ 5,35
PH mesuré = 5,30 donc [H3O+] = 5,012.10-6 mol.l-1
10-5,35£ [H3O+] £ 10-5,25
[H3O+]réel = (5,0 + - 0,7) * 10-6 mol.l-1
incertitude absolue = 0,7.10-6 mol.l-1
précision de la mesure = 0,7.10-6 / 5,0.10-6 = 0,14 = 14%
Conclusion : On peut utiliser 2 chiffres significatifs pour toute concentration déduite d’une mesure de PH.
III) Etat d’équilibre d’un système chimique :
1° Avancement maximal :
Soit une fiole jaugée de 500 ml contenant 1 ml d’acide éthanoïque CH3COOH et de l’eau distillée.
Réaction acido-basique :
CH3COOH/CH3COO- et H3O+/H2O
CH3COOH + H2O = CH3COO- + H3O+
d = 1,05 M(AH) = 60,00 g.mol-1 et
masse volumique de l’eau = 1000 g.l-1
soluté = acide éthanoïque
n1(AH) = m/M = d*eau*V(AH) / M(AH)
= 1,05*10-3*1*10-3 / 60 = 1,75.10-2 mol
|
Equation chimique |
CH3COOH + H2O = CH3COO- + H3O+ |
||||
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Etat du système |
Avancement |
Quantité de matière (mol) |
|||
|
Etat initial |
0 |
1,75.10-2 |
bcp |
0 |
0 |
|
En cour de transf. |
x |
1,75.10-2 - x |
bcp |
x |
x |
|
Etat final |
xmax |
1,75.10-2 - xmax |
bcp |
xmax |
xmax |
- C (AH) = ni(AH) / Vsolution = 1,75.10-2 / 500.10-3 = 3,5.10-2 mol.l-1
- avancement maximal : réactif limitant est l’acide éthanoïque car on a beaucoup d’eau (solvant) 0,0185 – xmax =0 donc xmax = 0,0175
[H3O+]max = xmax / V = 0,0175 / 500.10-3 = 3,5.10-2 mol.l-1
rq : On peut étudier l’avancement de la réaction en mol (noter x) ou en mol.l-1 (avancement volumique noter y)
2° Avancement final :
le PH de la solution préparée est constant est égal à 3,10.
[H3O+]f = 7,9.10-4 mol.l-1
n(H3O+) = Cf*V = 7,9.10-4*500.10-3 = 3,97.10-4 mol
xf = 4,0.10-4 = n(H3O+)f = n(CH3COO-)f
Donc xf £ xmax et [H3O+] £ [H3O+]max
Composition finale du système :
nf (CH3COO-) = 4,0.10-4 mol
nf (H3O+) = 4,0.10-4 mol
nf (CH3COOH) = 1,71.10-2 mol
Conclusion : Aucun des réactifs n’a entièrement disparue et la transformation étudiée n’est donc pas total, et xf £ x max
3° Taux d’avancement final :
T = xf / x max
0 £ T £ 1 si T = 1 la réaction est totale
si T = 0 la réaction n’a pas lieu
exemple : T = 2,3 % donc réaction peu avancée.
4° Sens d’évolution d’un système chimique :
exemple : A) 20 ml de solution S d’acide éth. C = 0,1 mol.l-1
B) idem Phi = 2,9
Dans A) on ajoute 2 gouttes d’acide éth pur. On agite. PHA = 2,7
Dans B) on ajoute 0,5 g de CH3COONa (s), on agite. PHB = 5,3
Valeur de PH sur un axe gradué :
Interprétation : mise en solution de l’acide éth dans de l’eau.
CH3COOH + H2O = CH3COO- + H3O+
Lors de l’ajout de 2 gouttes AH, le PH diminue et donc [H3O+]
Augmente. (or V= constante) donc n(H3O+) augmente
Au cours de la transformation chimique des ions H3O+ se sont formée.
Le système a évolué dans le sens de la formation d’ion H3O+ , c'est-à-dire dans le sens direct de l’équation de la réaction.
Lors de l’ajout de 0,5g de CH3COONa le PH augmente donc [H3O+] diminue or V est constante, donc n(H3O+) diminue.
Le système évolue dans le sens inverse de l’équation de la réaction.
Ainsi la réaction envisagée s’effectue dans les deux sens d’où le signe =
5° Etat d’équilibre d’un système chimique :
Une transformation chimique d’un système donné est une transformation entre un état I et un état final F dans lequel il peut y avoir coexistence de produit et de réactif qui reste en proportion constante. Cet état final est un état d’équilibre. Cet état d’équilibre chimique est dynamique car a l’échelle microscopique il existe autant de choc entre entité réactive qu’entre entité produite. Par contre a l’échelle macroscopique l’état ne semble plus évoluer.