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Constante d'équilibre
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ACTIVITÉ EXPÉRIMENTALE
90 minutes

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Constante d'équilibre




Une transformation chimique non totale tend vers un état d’équilibre.

➜ Comment caractériser la composition d’un système à l’équilibre ?


Objectifs

  • Déterminer la valeur du quotient de réaction à l’état final d’une transformation non totale.


Doc. 1
Réaction étudiée

bouteille de vinaigre blanc

Lors de cette expérience, on étudie la réaction acide‑base entre l’acide éthanoïque CH3COOH(aq)\text{CH}_3\text{COOH(aq)} et l’eau. Cet acide est le soluté majoritaire du vinaigre.

Il est notamment utilisé au quotidien pour enlever les traces de calcaire et détartrer les bouilloires.

Doc. 2
Quotient de réaction

On considère une réaction chimique d’équation :
aA(aq)+bB(aq)cC(aq)+dD(aq)a \: \mathrm{A}(\mathrm{aq})+b \: \mathrm{B}(\mathrm{aq}) \rightleftarrows c \: \mathrm{C}(\mathrm{aq})+d \: \mathrm{D}(\mathrm{aq})

Le quotient de réaction QrQ_\text{r} est défini par la relation :
Qr=([C]c)c([D]c)d([A]c)a([B]c)bQ_{r}=\dfrac{\left(\dfrac{[\mathrm{C}]}{c^{\circ}}\right)^{c} \cdot\left(\dfrac{[\mathrm{D}]}{c^{\circ}}\right)^{d}}{\left(\dfrac{[\mathrm{A}]}{c^{\circ}}\right)^{a} \cdot\left(\dfrac{[\mathrm{B}]}{c^{\circ}}\right)^{b}}

QrQ_\text{r} : quotient de réaction
[A],[B],[C][\text{A}], [\text{B}], [\text{C}] et [D][\text{D}] : concentrations des espèces en solution (mol·L-1)
a,b,c,da, b, c, d : coefficients stœchiométriques
cc^{\circ} : concentration standard égale à c=1c^{\circ} = 1 mol·L-1

Seules les concentrations des espèces dissoutes en solution interviennent dans l’expression. Les espèces chimiques sous forme solide, notées (s), ou le solvant, composé liquide majoritaire, noté (l), n’apparaissent pas.

Doc. 3
Matériel nécessaire

  • Quatre béchers de 25 mL
  • pH‑mètre étalonné
  • Quatre solutions d’acide éthanoïque de concentration en soluté apporté :
    c1=1,0×103c_1 = 1{,}0 \times 10^{-3} mol⋅L-1
    c2=2,0×103c_2 = 2{,}0 \times 10^{-3} mol⋅L-1
    c3=5,0×103c_3 = 5{,}0 \times 10^{-3} mol⋅L-1
    c4=1,0×102c_4 = 1{,}0 \times 10^{-2} mol⋅L-1
  • Conductimètre étalonné

Données

  • Conductivités molaires ioniques à 25 °C :
    λ(H3O+)=34,98×103\lambda (\text{H}_\text{3}\text{O}^\text{+}) = 34{,}98 \times 10^{-3} S⋅m2⋅mol-1 et
    λ(CH3COO)=4,10×103\lambda(\text{CH}_\text{3} \text{COO}^-) = 4{,}10 \times 10^{-3} S⋅m2⋅mol-1

Compétences

RAI/ANA : Élaborer un protocole

RAI/MOD : Modéliser une transformation

VAL : Analyser des résultats

Questions

1. Écrire l’équation de réaction entre l’acide éthanoïque CH3COOH(aq)\text{CH}_3\text{COOH(aq)} et l’eau H2O(l)\text{H}_2\text{O(l)}.


2. Exprimer le quotient de réaction QrQ_\text{r} associé à cette réaction.


3. À l’aide des expressions littérales, dresser le tableau d’avancement de la réaction.

Avancement
++
\rightarrow
++
État initial x=0x=0 mol
État intermédiaire xx
État final xmaxx_\text{max}

4. Exprimer la concentration en quantité de matière des ions oxonium [H3O+][\text{H}_3\text{O}^+] en fonction de la conductivité de la solution et des conductivités molaires ioniques.


5. À l’équilibre, exprimer les concentrations [CH3COOH]eq[\text{CH}_3\text{COOH]}_\text{eq} en fonction de [H3O+]eq[\text{H}_3\text{O}^+]_\text{eq}.


6. Proposer un protocole pour déterminer le quotient de réaction à l’équilibre, noté KK.


7. Calculer KK pour chacune des solutions d’acide. Comparer les valeurs obtenues à partir des quatre solutions d’acide avec des concentrations initiales différentes.
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Synthèse de l'activité

En déduire l’influence des conditions initiales sur la valeur du quotient de réaction à l’équilibre, appelée plus simplement constante d’équilibre et notée KK.
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