14.8: Principe de Le Châtelier : modification du volume (pression)

Pour les équilibres en phase gazeuse, des changements de la concentration des réactifs et des produits peuvent se produire lorsque le volume et la pression sont modifiés. La pression partielle, P, d'un gaz parfait est proportionnelle à sa concentration molaire, M.

Ainsi, les modifications des pressions partielles d'un réactif ou d'un produit sont essentiellement des changements de concentrations ; par conséquent, ces modifications produisent les mêmes effets sur les équilibres. Outre l'ajout ou l'élimination de réactifs ou de produits, les pressions (concentrations) des espèces dans un équilibre en phase gazeuse peuvent également être modifiées en modifiant le volume occupé par le système. Étant donné que toutes les espèces d'un équilibre en phase gazeuse occupent le même volume, une modification donnée du volume entraînera le même changement de concentration pour les réactifs et les produits. Afin de discerner quel déplacement, le cas échéant, ce type de contrainte induit, la stœchiométrie de la réaction doit être considérée.

À l'équilibre, la réaction N₂ (g) + O₂ (g) ⇌ 2 NO (g) est décrite par le quotient de la réaction

Si on diminue par un facteur de 3 le volume occupé par un mélange en équilibre de ces espèces, les pressions partielles des trois espèces seront augmentées par un facteur de 3 :

Ainsi, la modification du volume de ce mélange en équilibre en phase gazeuse n'entraîne pas un déplacement de l'équilibre.

En traitant de façon similaire un système différent, 2 SO₂ (g) + O₂ (g) ⇌ 2 SO₃ (g), cela donne toutefois un résultat différent :

Dans ce cas, le résultat de la modification du volume est un quotient réactionnel plus petit que la constante d'équilibre, et donc l'équilibre se déplace vers la droite.

Ces résultats illustrent la relation entre la stœchiométrie d'un équilibre en phase gazeuse et l'effet d'un changement de pression (concentration) induit par le volume. Si les quantités molaires totales de réactifs et de produits sont égales, comme dans le premier exemple, une modification du volume ne déplace pas l'équilibre. Si les quantités molaires de réactifs et de produits sont différentes, une modification du volume déplace l'équilibre dans un sens qui “ adapte ” mieux le changement de volume. Dans le second exemple, trois moles de réactif (SO₂ et O₂) donnent deux moles de produit (SO₃), et donc la diminution du volume du système provoque un déplacement de l'équilibre vers la droite puisque la réaction directe produit moins de gaz (2 mol) que la réaction inverse (3 mol). Inversement, l'augmentation du volume de ce système en équilibre entraînerait un déplacement vers les réactifs.

Ce texte a été adapté d’Openstax, Chimie 2e, Section 13.3 Déplacements d'équilibres : le principe de Le Chatelier.

Le principe Le Châtelier peut être utilisé pour prévoir comment un système à l'équilibre répondrait au stress d'un changement en volume ou en pression. Le volume d'un gaz est inversement proportionnel à sa pression;donc, pour un système à l'équilibre, une diminution de volume augmente la pression et perturbe l'équilibre. En réponse, la position d'équilibre se déplacera dans une direction pour minimiser le stress.

La loi des gaz parfaits stipule que la pression d'un gaz est directement proportionnel au nombre de moles. Ainsi, la direction du déplacement nécessaire pour rétablir l'équilibre dépend du nombre de moles de particules de gaz de part et d'autre de la réaction. Comme plus de moles de gaz entraîne une pression plus élevée, une augmentation de la pression déplace la position d'équilibre du côté où il y a moins de moles pour faire baisser la pression.

De même, une diminution de la pression déplace la position d'équilibre sur le côté avec plus de moles de gaz. Considérons un équilibre chimique, où une mole de pentachlorure de phosphore se décompose en une mole de trichlorure de phosphore et une mole de chlore gazeux deux moles totales de produit. Si le piston est abaissé, le volume du système d'équilibre diminue, ce qui augmente la pression.

Cela perturbe l'équilibre et entraîne un Q supérieur à K.Ainsi, la position d'équilibre se déplace vers les réactifs, avec moins de moles de particules de gaz, afin de diminuer la pression et rétablir l'équilibre. Inversement, tirer le piston vers le haut augmente le volume et diminue la pression. Dans ce cas, Q devient plus petit que K.Afin d'élever la pression, la position d'équilibre se déplace vers les produits, le côté avec le plus de moles de gaz, le plus de moles de gaz, et rétablit l'équilibre.

Augmenter la pression en ajoutant un gaz inerte à un mélange d'équilibre à volume constant, n'affecte pas l'équilibre car les pressions partielles des réactifs et produits gazeux restent inchangés. Pour les systèmes d'équilibre à nombres égaux de moles de réactifs et de produits gazeux, comme la réaction entre l'iode gazeux et le chlore gazeux pour produire du monochlorure d'iode, un changement dans le volume du système aura aucun effet sur l'équilibre.