Le sens d'évolution d'un système chimique

01Le quotient de réaction Qr

Toute transformation chimique modélisée par une réaction évolue vers un état d'équilibre, caractérisé par une constante d'équilibre K, associée à l'équation de la réaction et qui ne dépend que de la température. Pour savoir dans quel sens un système chimique va évoluer à un instant donné, on introduit le quotient de réaction, noté Qr, qui a la même expression mathématique que K mais qui se calcule avec les concentrations (ou pressions) réelles du système à l'instant considéré, et non à l'équilibre. Pour une réaction générale aA + bB = cC + dD, le quotient de réaction s'écrit Qr = ([C]^c × [D]^d) / ([A]^a × [B]^b), les concentrations des solides purs et du solvant n'apparaissant pas dans cette expression. Qr est donc une « photographie » de l'état du système à un instant t, alors que K décrit l'état final, celui de l'équilibre chimique.

02Comparer Qr et K pour prévoir le sens d'évolution

La comparaison entre Qr et K permet de prévoir dans quel sens le système va évoluer spontanément. Si Qr est inférieur à K, cela signifie que le système contient, à cet instant, proportionnellement trop de réactifs par rapport à l'équilibre : la réaction évolue alors dans le sens direct (formation des produits), afin de faire augmenter Qr jusqu'à ce qu'il rejoigne K. À l'inverse, si Qr est supérieur à K, le système contient trop de produits par rapport à l'équilibre : la réaction évolue dans le sens indirect (consommation des produits, régénération des réactifs), afin de faire diminuer Qr jusqu'à K. Enfin, si Qr est égal à K, le système est déjà à l'équilibre chimique et n'évolue plus macroscopiquement : les quantités de matière restent constantes, même si des transformations microscopiques continuent en réalité dans les deux sens.

03Exemple chiffré

Considérons la réaction de dissolution avec formation d'un équilibre, pour laquelle K vaut 10 à une température donnée. À un instant t, le calcul à partir des concentrations mesurées donne Qr = 2. Comme Qr (2) est inférieur à K (10), le système n'est pas à l'équilibre et va évoluer dans le sens direct : les réactifs vont continuer à se transformer en produits, ce qui fait progressivement augmenter la valeur de Qr, jusqu'à ce qu'elle atteigne 10 et que le système atteigne son état d'équilibre. Si au contraire une mesure ultérieure donnait Qr = 25, supérieur à K, on en déduirait que le système évolue cette fois dans le sens indirect, les produits se retransformant partiellement en réactifs.

04Méthode : déterminer le sens d'évolution d'un système

1. Écris l'expression de Qr à partir de l'équation de la réaction, en excluant solides purs et solvant.
2. Calcule la valeur numérique de Qr à l'instant considéré, à partir des concentrations données.
3. Compare Qr à K : si Qr < K, sens direct ; si Qr > K, sens indirect ; si Qr = K, système à l'équilibre.

05Erreurs fréquentes

• ✗ Confondre Qr et K : Qr se calcule à un instant donné avec les concentrations réelles, K décrit uniquement l'état d'équilibre.
• ✗ Inverser le sens d'évolution : Qr < K signifie sens direct (formation de produits), pas l'inverse.
• ✗ Inclure les solides purs ou le solvant dans l'expression du quotient de réaction, alors qu'ils n'y figurent pas.