Chimie

Gratuit

Équilibre chimique

Beaucoup de réactions ne s'arrêtent jamais vraiment : elles atteignent un équilibre où réactifs et produits coexistent. Comprendre cet équilibre, et comment le déplacer, est essentiel, du procédé industriel (synthèse de l'ammoniac) au transport de l'oxygène dans ton sang.

1Réaction réversible et équilibre dynamique

Une réaction dans les deux sens

Une réaction réversible (notée ⇌) se fait simultanément dans les deux sens : direct (réactifs → produits) et inverse (produits → réactifs). L'équilibre est atteint quand les deux vitesses deviennent égales.

Équilibre dynamique

À l'équilibre, les concentrations ne changent plus, mais les réactions ne s'arrêtent pas : il s'en forme autant qu'il s'en défait. C'est un équilibre dynamique, pas un arrêt.

À l'équilibre, les réactions s'arrêtent-elles vraiment ?Réfléchis puis ouvre ▾

Non. Les concentrations sont stables, mais au niveau microscopique les transformations continuent dans les deux sens à la même vitesse. C'est comme un escalator où l'on monterait aussi vite qu'il descend : on ne bouge plus, mais ça travaille.

Vérifie que tu as compris

Que signifie le symbole ⇌ ?Réfléchis puis ouvre ▾

Une réaction réversible, qui se fait dans les deux sens simultanément.

Quand l'équilibre est-il atteint ?Réfléchis puis ouvre ▾

Quand les vitesses des réactions directe et inverse deviennent égales.

À l'équilibre, les transformations s'arrêtent-elles ?Réfléchis puis ouvre ▾

Non : c'est un équilibre dynamique, les deux sens continuent à la même vitesse.

2La constante d'équilibre K

Un chiffre qui résume l'équilibre

La constante d'équilibre K mesure, à une température donnée, le rapport entre produits et réactifs à l'équilibre. Un grand K : la réaction est quasi complète (beaucoup de produits). Un petit K : elle se fait peu.

Constante d'équilibre

K = \frac{[ C ] ^{c} [ D ] ^{d}}{[ A ] ^{a} [ B ] ^{b}}

[X]

concentration de l'espèce X à l'équilibremol/L

a, b, c, d

coefficients stœchiométriques—

Quand l'utiliser

Pour quantifier un équilibre aA + bB ⇌ cC + dD à température fixée.

Quand l'éviter

Pour les solides et liquides purs : ils n'apparaissent PAS dans K.

Interprétation

Produits au numérateur, réactifs au dénominateur, chacun à la puissance de son coefficient.

Piège au concours

Inclure les solides/liquides purs (leur « concentration » est constante, donc absorbée dans K).

Astuce mémo

« produits sur réactifs », chacun puissance son coefficient.

Le piège : solides et liquides purs

Les solides et liquides purs n'apparaissent pas dans l'expression de K (leur activité vaut 1). Par exemple, pour

C a C O_{3} (s) ⇌ C a O (s) + C O_{2} (g)

, on a simplement

K = [C O_{2}]

Écris l'expression de K pour

N_{2} + 3 H_{2} ⇌ 2 N H_{3}

.Intermédiaire

Solution détaillée

K = \frac{[ N H _{3} ] ^{2}}{[ N _{2} ] [ H _{2} ] ^{3}}

: le produit NH₃ au carré (coefficient 2) au numérateur, les réactifs avec leurs coefficients au dénominateur.

Exemple résolu : calculer K avec un tableau d'avancement

« Dans un récipient de 1,0 L, on introduit 1,00 mol de H₂ et 1,00 mol de I₂ selon $H_{2} + I_{2} ⇌ 2 H I$ . À l'équilibre, il reste 0,20 mol de H₂. Calcule K. »

1. Le volume vaut 1,0 L, donc les concentrations sont numériquement égales aux quantités de matière. C'est un cadeau de l'énoncé, il faut le repérer.

2. Tableau initial / changement / équilibre. H₂ est passé de 1,00 à 0,20 : il en a disparu 0,80. Les coefficients disent que I₂ disparaît autant (rapport 1 : 1), et que HI se forme deux fois plus (rapport 1 : 2).

	$H_{2}$	$I_{2}$	$H I$
Initial (mol/L)	1,00	1,00	0
Changement	− 0,80	− 0,80	+ 1,60
Équilibre (mol/L)	0,20	0,20	1,60

Le tableau d'avancement : une ligne de départ, une ligne de variation dictée par les coefficients, une ligne d'arrivée.

3. On remplace dans K. $K = \frac{[ H I ] ^{2}}{[ H _{2} ] [ I _{2} ]} = \frac{( 1 , 60 ) ^{2}}{0 , 20 \times 0 , 20} = \frac{2 , 56}{0 , 040} = 64$ .

Le calcul se fait de tête : $1, 6^{2} = 2, 56$ et diviser par $0, 04$ revient à multiplier par 25. K vaut 64, donc bien plus grand que 1 : à l'équilibre, le mélange est nettement dominé par le produit HI, ce que confirment les 1,60 mol de HI contre 0,20 de chaque réactif.

Les deux pièges : oublier le coefficient 2 dans la ligne de changement de HI (on écrirait +0,80 au lieu de +1,60), et oublier l'exposant 2 sur [HI] dans K. Chacune des deux erreurs suffit à faire rater la question.

Vérifie que tu as compris

Comment s'écrit la constante d'équilibre K ?Réfléchis puis ouvre ▾

Produits sur réactifs, chacun à la puissance de son coefficient stœchiométrique.

Quelles espèces n'apparaissent PAS dans K ?Réfléchis puis ouvre ▾

Les solides et liquides purs (leur activité vaut 1).

Que signifie un grand K ?Réfléchis puis ouvre ▾

La réaction est quasi complète : il y a beaucoup de produits à l'équilibre.

3Le quotient réactionnel Q et le sens d'évolution

Où en est la réaction ?

Le quotient réactionnel Q a la même expression que K, mais se calcule à n'importe quel moment (pas seulement à l'équilibre). Comparer Q à K dit dans quel sens la réaction va évoluer pour atteindre l'équilibre.

Comparaison	Sens d'évolution	Pourquoi
Q < K	vers les produits (→)	il manque de produits par rapport à l'équilibre
Q = K	équilibre atteint	le système ne bouge plus (macroscopiquement)
Q > K	vers les réactifs (←)	il y a trop de produits, la réaction inverse domine

Si Q < K, dans quel sens la réaction évolue-t-elle ?Réfléchis puis ouvre ▾

Vers les produits (sens direct). Q < K signifie qu'il n'y a pas encore assez de produits par rapport à l'équilibre : la réaction directe l'emporte jusqu'à ce que Q rejoigne K.

Vérifie que tu as compris

Quelle différence entre Q et K ?Réfléchis puis ouvre ▾

Q a la même expression, mais se calcule à tout moment ; K, seulement à l'équilibre.

Si Q < K, dans quel sens la réaction évolue-t-elle ?Réfléchis puis ouvre ▾

Vers les produits (→) : il manque de produits par rapport à l'équilibre.

Si Q > K, dans quel sens ?Réfléchis puis ouvre ▾

Vers les réactifs (←) : il y a trop de produits.

4Le principe de Le Chatelier

Le système résiste au changement

Principe de Le Chatelier : si on perturbe un système à l'équilibre (concentration, pression, température), il évolue dans le sens qui s'oppose à la perturbation pour retrouver un équilibre. Un système « têtu » qui amortit tout changement.

N₂ + 3 H₂ ⟶ 2 NH₃

Déplacement : vers les produits

le système consomme le réactif ajouté ⇒ vers les produits.

Choisis une perturbation : observe dans quel sens l'équilibre N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃ se déplace pour s'y opposer. Le catalyseur, lui, ne déplace rien.

Perturbation	Le système…	Déplacement
Ajout d'un réactif	consomme ce réactif	vers les produits (→)
Ajout d'un produit	consomme ce produit	vers les réactifs (←)
Retrait d'un produit	en refait	vers les produits (→)

Le système réagit toujours pour atténuer la perturbation imposée.

Pour

N_{2} + 3 H_{2} ⇌ 2 N H_{3}

, dans quel sens se déplace l'équilibre si on retire du NH₃ au fur et à mesure ?Intermédiaire

Solution détaillée

Retirer un produit pousse le système à en refaire : l'équilibre se déplace vers les produits (→). C'est d'ailleurs l'astuce industrielle pour améliorer le rendement de la synthèse de l'ammoniac.

Vérifie que tu as compris

Que dit le principe de Le Chatelier ?Réfléchis puis ouvre ▾

Perturbé, un système évolue dans le sens qui s'oppose à la perturbation.

Dans quel sens l'équilibre se déplace-t-il si on ajoute un réactif ?Réfléchis puis ouvre ▾

Vers les produits (→) : le système consomme le réactif ajouté.

Et si on retire un produit ?Réfléchis puis ouvre ▾

Vers les produits (→) : le système en refait pour compenser.

5L'effet de la pression (gaz)

Compresser favorise le côté le moins encombrant

Augmenter la pression (en réduisant le volume) pousse l'équilibre vers le côté qui compte le moins de moles de gaz, pour réduire la pression. Si les deux côtés ont autant de moles de gaz, la pression n'a aucun effet.

Comprendre vraiment

Pour

N_{2} + 3 H_{2} ⇌ 2 N H_{3}

: 4 moles de gaz à gauche, 2 à droite. Augmenter la pression déplace vers la droite (les produits) car 2 moles « prennent moins de place » que 4. C'est la base du procédé Haber (haute pression).

Pour H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g), une augmentation de pression déplace-t-elle l'équilibre ?Réfléchis puis ouvre ▾

Non. Il y a 2 moles de gaz à gauche (1 + 1) et 2 à droite : autant de chaque côté. La pression n'a donc aucun effet sur cet équilibre. Le nombre de moles de gaz est ici décisif.

Vérifie que tu as compris

Augmenter la pression déplace l'équilibre vers quel côté ?Réfléchis puis ouvre ▾

Vers le côté qui compte le moins de moles de gaz.

Et s'il y a autant de moles de gaz des deux côtés ?Réfléchis puis ouvre ▾

La pression n'a aucun effet sur l'équilibre.

Pour N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, une hausse de pression déplace vers… ?Réfléchis puis ouvre ▾

Les produits (NH₃) : 2 moles de gaz contre 4 du côté des réactifs.

6L'effet de la température

La chaleur, un réactif ou un produit

La température est la seule perturbation qui change la valeur de K. On traite la chaleur comme un terme de la réaction : « produit » si exothermique, « réactif » si endothermique.

Type de réaction	Chaleur =	↑ température déplace vers…
Exothermique (libère de la chaleur)	un produit	les réactifs (←), K diminue
Endothermique (absorbe de la chaleur)	un réactif	les produits (→), K augmente

Pour le futur médecin

Ton sang est un système d'équilibres : le couple

C O_{2} + H_{2} O ⇌ H_{2} C O_{3} ⇌ H C O_{3}^{-} + H^{+}

règle le pH sanguin. En hyperventilant, tu chasses le CO₂ : l'équilibre se déplace, le pH monte (alcalose). Le Chatelier explique cette régulation vitale.

La synthèse de l'ammoniac est exothermique. Pour maximiser le rendement, faut-il chauffer ou refroidir ?Réfléchis puis ouvre ▾

En théorie, refroidir : la réaction étant exothermique, baisser la température déplace l'équilibre vers les produits (NH₃) et augmente K. En pratique, on garde une température modérée pour que la réaction soit assez rapide, un compromis cinétique/thermodynamique.

Vérifie que tu as compris

Quelle perturbation change la valeur de K ?Réfléchis puis ouvre ▾

Seule la température (les autres déplacent l'équilibre sans changer K).

Pour une réaction exothermique, augmenter T déplace vers… ?Réfléchis puis ouvre ▾

Les réactifs (←) : la chaleur est un « produit », donc K diminue.

Comment traite-t-on la chaleur pour une réaction endothermique ?Réfléchis puis ouvre ▾

Comme un réactif : chauffer déplace alors vers les produits (K augmente).

7Le produit de solubilité Ks

Un équilibre entre un solide et ses ions

Un sel « peu soluble » n'est pas totalement insoluble : une petite partie se dissout et libère ses ions, en équilibre avec le solide qui reste. Cet équilibre de dissolution a sa propre constante, le produit de solubilité

K_{s}

(parfois noté

K_{p s}

Produit de solubilité

A_{x} B_{y} (s) ⇌ x A^{y +} + y B^{x -}; K_{s} = [A^{y +}]^{x} [B^{x -}]^{y}

K_{s}

produit de solubilité (à T donnée)—

[A^{y +}]

concentration du cation à l'équilibremol/L

[B^{x -}]

concentration de l'anion à l'équilibremol/L

Quand l'utiliser

Pour un sel peu soluble en équilibre avec sa solution saturée : relier Ks et la solubilité.

Quand l'éviter

Pour un sel très soluble (totalement dissous) : il n'y a pas d'équilibre solide/ions.

Interprétation

Le solide (activité 1) n'apparaît PAS : Ks est le produit des concentrations ioniques, chacune à la puissance de son coefficient.

Piège au concours

Oublier l'exposant : pour Ag₂CrO₄, Ks = [Ag⁺]²[CrO₄²⁻], le 2 sur [Ag⁺] change tout le calcul.

Astuce mémo

« Ks = produit des ions dissous », le solide reste hors du produit.

Relier Ks et solubilité molaire s

Si on note

s

la solubilité (moles dissoutes par litre), on exprime chaque concentration ionique en fonction de

s

puis on remplace dans

K_{s}

. Exemples selon la formule du sel :

Type de sel	Relation Ks ↔ s	Solubilité s
AB (ex. PbSO₄)	$K_{s} = s^{2}$	$s = K_{s}$
AB₂ ou A₂B (ex. Ag₂CrO₄)	$K_{s} = 4 s^{3}$	$s = 3 K_{s} /4$
AB₃ (ex. Fe(OH)₃)	$K_{s} = 27 s^{4}$	$s = 4 K_{s} /27$

Piège du concours : à Ks égal, un sel AB₂ n'a PAS la même solubilité qu'un sel AB. Il faut repasser par s.

Le piège : comparer des Ks de stœchiométries différentes

On ne peut PAS classer directement des sels par solubilité en comparant leurs

K_{s}

si leurs formules diffèrent (AB, AB₂, AB₃…). Il faut d'abord calculer la solubilité

s

de chacun, puis comparer les

s

. Un petit

K_{s}

ne signifie pas toujours « moins soluble ».

Pour le futur médecin

Le produit de solubilité gouverne la formation des calculs rénaux (oxalate de calcium, phosphates) : quand le produit des concentrations dépasse

K_{s}

, le sel précipite dans le rein. Il explique aussi la minéralisation de l'os (phosphate de calcium) et l'action des produits de contraste.

Deux sels ont le même Ks : l'un est de type AB, l'autre de type Ag₂CrO₄ (A₂B). Ont-ils la même solubilité ?Réfléchis puis ouvre ▾

Non. Pour AB,

K_{s} = s^{2}

donc

s = K_{s}

. Pour A₂B,

K_{s} = 4 s^{3}

donc

s = 3 K_{s} /4

. À

K_{s}

égal, les deux solubilités sont différentes : c'est pourquoi on ne compare jamais des

K_{s}

de formules différentes sans repasser par

s

Le produit de solubilité de PbSO₄ vaut

K_{s} = 1, 6 \cdot 1 0^{- 8}

. Quelle est sa solubilité molaire s ?Niveau concours

Solution détaillée

PbSO₄ est de type AB :

P b S O_{4} ⇌ P b^{2 +} + S O_{4}^{2 -}

, donc

[P b^{2 +}] = [S O_{4}^{2 -}] = s

K_{s} = s^{2}

. D'où

s = 1, 6 \cdot 1 0^{- 8} \approx 1, 3 \cdot 1 0^{- 4}

mol/L.

Exemple résolu : un sel A₂B, là où le calcul devient piégeux

« Un sel de type $A_{2} B$ (même formule que le chromate d'argent Ag₂CrO₄) a $K_{s} = 3, 2 \cdot 1 0^{- 11}$ . Quelle est sa solubilité molaire s ? »

1. Écrire la dissolution. $A_{2} B (s) ⇌ 2 A^{+} + B^{2 -}$ . Si $s$ moles se dissolvent par litre, elles libèrent $[A^{+}] = 2 s$ et $[B^{2 -}] = s$ . Le facteur 2 est le cœur de l'exercice.

2. Remplacer dans Ks. $K_{s} = [A^{+}]^{2} [B^{2 -}] = (2 s)^{2} \times s = 4 s^{3}$ . Le 2 intervient donc deux fois : comme facteur et comme exposant.

3. Résoudre sans calculatrice. $4 s^{3} = 3, 2 \cdot 1 0^{- 11}$ donne $s^{3} = 0, 8 \cdot 1 0^{- 11}$ . L'astuce est de réécrire la puissance de 10 pour que son exposant soit divisible par 3 : $0, 8 \cdot 1 0^{- 11} = 8 \cdot 1 0^{- 12}$ . Alors $s = 3 8 \cdot 1 0^{- 12} = 2 \cdot 1 0^{- 4}$ mol/L.

La comparaison qui fait tomber les candidats : un sel de type AB ayant exactement le même $K_{s}$ aurait $s = 3, 2 \cdot 1 0^{- 11} = 32 \cdot 1 0^{- 12} \approx 5, 7 \cdot 1 0^{- 6}$ mol/L, soit environ 35 fois moins soluble. À $K_{s}$ égal, la stœchiométrie change tout : on ne classe jamais deux sels de formules différentes en comparant leurs $K_{s}$ .

Vérifie que tu as compris

Qu'est-ce que le produit de solubilité Ks ?Réfléchis puis ouvre ▾

La constante de l'équilibre de dissolution d'un sel peu soluble : le produit des concentrations ioniques.

Le solide apparaît-il dans l'expression de Ks ?Réfléchis puis ouvre ▾

Non : son activité vaut 1, il n'y figure pas.

Peut-on comparer directement les Ks d'un sel AB et d'un sel AB₂ ?Réfléchis puis ouvre ▾

Non : il faut d'abord calculer la solubilité s de chacun, puis comparer les s.

8Le rôle du catalyseur

Plus vite, mais pas plus loin

Un catalyseur accélère la réaction (il abaisse l'énergie d'activation), dans les deux sens également. Il fait donc atteindre l'équilibre plus vite, mais ne déplace PAS l'équilibre et ne change PAS K.

Un catalyseur permet-il d'obtenir plus de produit à l'équilibre ?Réfléchis puis ouvre ▾

Non. Le catalyseur ne change ni la position de l'équilibre ni K : il accélère seulement la vitesse à laquelle l'équilibre est atteint. Pour obtenir plus de produit, il faut jouer sur la concentration, la pression ou la température (Le Chatelier).

Pour le futur médecin

Dans le corps, les catalyseurs sont les enzymes : elles accélèrent des réactions d'un facteur colossal sans être consommées. Sans elles, la plupart des réactions du métabolisme seraient bien trop lentes pour la vie.

Vérifie que tu as compris

Que fait un catalyseur ?Réfléchis puis ouvre ▾

Il accélère la réaction (abaisse l'énergie d'activation), dans les deux sens également.

Un catalyseur déplace-t-il l'équilibre ?Réfléchis puis ouvre ▾

Non : la position de l'équilibre et K sont inchangés, seule la vitesse augmente.

Dans le corps, quels sont les catalyseurs ?Réfléchis puis ouvre ▾

Les enzymes, qui accélèrent énormément les réactions du métabolisme.

9Les erreurs fréquentes

Les erreurs qui coûtent des points

Inclure les solides/liquides purs dans K
Pourquoi : on met machinalement toutes les espèces
seules les espèces en solution (mol/L) ou gazeuses figurent dans K.
Comparer des Ks de sels de formules différentes
Pourquoi : on croit que petit Ks = moins soluble
il faut d'abord calculer la solubilité s de chacun (Ks = s², 4s³, 27s⁴…) puis comparer les s.
Croire qu'à l'équilibre tout s'arrête
équilibre dynamique : les deux réactions continuent à la même vitesse.
Penser que le catalyseur déplace l'équilibre
il accélère les deux sens également : K et la position de l'équilibre sont inchangés.
Oublier de compter SEULEMENT les moles de gaz pour la pression
l'effet de pression dépend des moles de GAZ de chaque côté (pas des solides/liquides).
Traiter la température comme les autres perturbations
seule la température change la valeur de K (les autres déplacent l'équilibre sans changer K).
Mal placer produits/réactifs dans K
produits au numérateur, réactifs au dénominateur, chacun puissance son coefficient.

Points clés à retenir

Équilibre = réaction réversible où les deux sens vont à la même vitesse (dynamique, pas un arrêt).
Constante : $K = [C]^{c} [D]^{d} / ([A]^{a} [B]^{b})$ ; solides et liquides purs EXCLUS.
Quotient Q vs K : Q < K ⇒ vers les produits ; Q > K ⇒ vers les réactifs ; Q = K ⇒ équilibre.
Le Chatelier : le système s'oppose à toute perturbation (concentration, pression, température).
Pression ↑ ⇒ vers le côté avec le MOINS de moles de gaz. Température : seule à changer K.
Produit de solubilité : $K_{s}$ = produit des ions dissous (solide exclu). Relier à s : $K_{s} = s^{2}$ (AB), $4 s^{3}$ (AB₂/A₂B), $27 s^{4}$ (AB₃).
Catalyseur : accélère l'atteinte de l'équilibre, mais ne le déplace pas (K inchangé).

S'entraîner sur ce chapitre

Questions du chapitre Annales officielles

Passe à l'entraînement réel sur ce chapitre

Teste-toi sur 20 questions type examen et obtiens une analyse de tes faiblesses.

Débloquer l'entraînement

Autres chapitres

Structure de la matière Liaisons chimiques et géométrie moléculaire Lois des gaz parfaits Stœchiométrie et solutions Chimie organique Réactions acido-basiques

Merci. Chaque signalement est lu par un humain, et la correction est publiée, datée, dans le changelog pédagogique.