14.4: Calcul de la constante d'équilibre

La constante d'équilibre d'une réaction est calculée à partir des concentrations (ou pressions) à l'équilibre de ses réactifs et produits. Si ces concentrations sont connues, le calcul implique simplement leur substitution dans l'expression de K_c.

Par exemple, le dioxyde d'azote gazeux forme du tétraoxyde de diazote selon cette équation :

Lorsque 0,10 mol de NO₂ est ajouté à une fiole de 1,0 L à 25 °C, la concentration change de sorte qu'à l'équilibre, [NO₂] = 0,016 M et [N₂O₄] = 0,042 M. La valeur de la constante d'équilibre pour la réaction peut être calculée comme suit :

Un exemple un peu plus difficile est fourni ensuite, dans lequel la stœchiométrie de la réaction est utilisée pour déduire les concentrations à l'équilibre à partir des informations fournies. La stratégie de base de ce calcul est utile pour de nombreux types de calculs d'équilibre et repose sur l'utilisation de termes pour les concentrations de réactif et de produit initialement présentes, pour la façon dont elles changent au fur et à mesure que la réaction se produit, et pour ce qu'elles sont quand le système atteint l'équilibre. L'acronyme ICE est couramment utilisé pour faire référence à cette approche mathématique, et les termes de la concentration sont généralement rassemblés sous un format tabulaire appelé un tableau ICE.

Calcul d'une constante d'équilibre

Les molécules d'iode réagissent de façon réversible avec les ions iodure pour produire des ions triiodure.

Si une solution ayant des concentrations de I₂ et de I⁻ toutes deux égales à 1,000 × 10⁻³ M avant la réaction donne une concentration à l'équilibre pour I₂ de 6,61 × 10⁻⁴ M, quelle est la constante d'équilibre de la réaction ?

Pour calculer les constantes d'équilibre, les concentrations à l'équilibre sont nécessaires pour tous les réactifs et produits :

Les concentrations initiales des réactifs et la concentration à l'équilibre du produit sont fournies. Ces informations peuvent être utilisées pour calculer les termes des concentrations à l'équilibre des réactifs, en présentant toutes les informations dans un tableau ICE.

À l'équilibre, la concentration de I₂ est de 6,61 × 10⁻⁴ M donc

Le tableau ICE peut maintenant être mis à jour avec des valeurs numériques pour toutes ses concentrations :

Enfin, les concentrations à l'équilibre peuvent être substituées dans l'expression de K_c et résolues :

Ce texte a été adapté d'Openstax, Chimie 2e, Section 13.4 Calculs d'équilibre.

La constante d'équilibre, Kc, peut être déterminée en remplaçant les valeurs correspondantes dans l'expression constante d'équilibre si les concentrations de tous les réactifs et produits à l'équilibre sont connus. Un mélange gazeux de dioxyde de soufre et d'oxygène à 530 degrés Celsius peut réagir selon la réaction indiquée. A l'équilibre, le mélange contient 0, 10 molaire de dioxide de soufre, 0, 15 molaire d'oxygène et 10, 88 molaire de soufre trioxyde.

En substituant les valeurs dans l'expression d'équilibre, le Kc est égal à 7, 9 10⁴. Le Kc peut également être calculé à condition que la concentration initiale de tous les composants et la concentration d'équilibre d'au moins un composé est connu. Les concentrations d'équilibre inconnues peuvent alors être calculés en utilisant la stoechiométrie réactionnelle.

Le tableau ICE est utilisé pour organiser les informations relatives aux concentrations initiales, de changement et d'équilibre de la réaction. Lorsqu'on laisse un mélange réactionnel contenant 0, 11 molaire d'azote et 0, 36 molaire d'hydrogène atteindre l'équilibre à 500 degrés Celsius, il produit 0, 020 molaire d'ammoniac à l'équilibre. Pour calculer le Kc, les concentrations d'équilibre de l'azote et de l'hydrogène doivent être déterminés.

La stœchiométrie de la réaction montre que 1 mole d'azote gazeux et 3 moles d'hydrogène gazeux sont nécessaires pour produire 2 moles de gaz ammoniac. Le changement, x, multiplié par les coefficients des réactifs et des produits, désigne la concentration des réactifs consommés et la concentration du produit fabriqué pour atteindre l'équilibre. Puisque 2x est égal à 0, 020, x est égal à 0, 010.

La concentration d'équilibre d'azote et d'hydrogène peut alors être déterminée en soustrayant le changement de concentration respectif à partir de leur concentration initiale qui est égale à 0, 10 et 0, 33 molaire, respectivement. En substituant les concentrations à l'équilibre dans l'expression du Kc le Kc est égal à 0, 11. Le Kp des réactions impliquant des gaz peut être calculé à l'aide d'une tableau ICE et de l'expression de l'équilibre écrite avec des pressions partielles.