Quotient de réaction et critère d'évolution

Quotient de réaction $Q_r$

Définition

Pour une réaction d'équation :

$$a\,A + b\,B \rightleftharpoons c\,C + d\,D$$

le quotient de réaction $Q_r$ est défini à un instant donné par :

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

$Q_r$ est un nombre sans unité qui dépend des concentrations à un instant donné.

Remarques

• Les solides et le solvant (eau) n'apparaissent pas dans l'expression de $Q_r$.
• $Q_r$ varie au cours de la transformation : il évolue jusqu'à atteindre la valeur de la constante d'équilibre $K$.

Constante d'équilibre $K$

À une température donnée, la constante d'équilibre $K$ est la valeur du quotient de réaction à l'état d'équilibre :

$$K = Q_{r,\text{éq}}$$

$K$ ne dépend que de la température (pas des concentrations initiales).

Critère d'évolution spontanée

La comparaison de $Q_r$ et $K$ permet de prédire le sens d'évolution spontanée du système :

Interprétation

• Si $Q_r < K$ : il y a « trop de réactifs » par rapport à l'équilibre → le système consomme des réactifs pour former des produits.
• Si $Q_r > K$ : il y a « trop de produits » → le système consomme des produits pour reformer des réactifs.

État d'équilibre chimique

À l'équilibre :
- $Q_r = K$
- Les concentrations n'évoluent plus macroscopiquement.
- La réaction se poursuit à l'échelle microscopique dans les deux sens à la même vitesse : c'est un équilibre dynamique.

Exemple

Pour la réaction :

$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$

avec $K = 4{,}0$ à 25 °C.

Si on mélange initialement des concentrations telles que $Q_{r,i} = 0$ (pas de produits) : $Q_r < K$ → le système évolue dans le sens direct (formation de l'ester).