Partie 4: ÉQUILIBRE CHIMIQUE

Partie 4: ÉQUILIBRE CHIMIQUE
Exercices de révision
1) Les systèmes suivants sont-ils fermés ou ouverts?
a) Le toit de cuivre d’un immeuble s’oxyde.
b) Un feu de foyer.
OUVERT
c) Une laveuse en opération.
d) Un lac en été.
OUVERT
OUVERT
OUVERT
e) Une chandelle allumée.
OUVERT
f) Une bouteille scellé de boisson gazeuse.
g) Une soupe dans un thermos fermé.
h) Un extincteur chimique inutilisé.
FERMÉ
FERMÉ
FERMÉ
i) Un morceau de sucre qui se dissout dans un verre d’eau.
j) Une bonbonne de dioxygène (O2 (g)).
FERMÉ
FERMÉ
2) Les systèmes suivants sont-ils en équilibre ou non? Pourquoi?
a) Un erlenmeyer fermé est rempli de dioxygène (O2 (g)).
PAS en ÉQUILIBRE.
parce qu’on a une seule sorte de molécule qui ne change pas d’état.
b) Un bécher contenant une solution sursaturée (avec des cristaux au fond) de
chlorure de sodium (NaCl) dans l’eau (H2O (l).
EN ÉQUILIBRE.
parce que la dissolution des cristaux qui forment des ions se fait à la même
vitesse que les ions qui s’associent pour donner des cristaux.
c) Un erlenmeyer fermé contient une solution d’ammoniaque (NH3 (aq)) avec
de l’ammoniac gazeux (NH2 (g)).
EN ÉQUILIBRE.
parce que la vaporisation de l’ammoniaque (NH3 (aq)) se fait à la même vitesse
que la dissolution du gaz ammoniac (NH3 (g)).
d) Un bécher contenant du sucre dans lequel on verse du sulfate d’hydrogène
concentré (H2SO4 (aq)).
PAS en ÉQUILIBRE.
parce que le sucre réagit avec le sulfate d’hydrogène (H2SO4 (aq)) pour donner un
cylindre noir (du carbone (C (s))) et dégager du dihydrogène gazeux (H2 (g)).
e) Un bécher fermé contenant une solution de sulfate d’hydrogène (H2SO4 (aq)).
PAS en ÉQUILIBRE, parce que l’ionisation du sulfate d’hydrogène (H2SO4 (aq))
est complète. Il n’y a pas de réaction réversible alors pas d’équilibre possible.
3) Le procédé Deacon est un procédé industriel pour produire du dichlore (Cl2)
selon l’équation chimique suivante.
2 Cl2 (g) + H2O (g) + 117 kJ
4 HCl (g) + O2 (g)
a) Quel sera l’effet sur la production de dichlore (Cl2) si on augmente la pression
du système?
Il y aura augmentation de dichlore (Cl2)
Pourquoi?
parce que la réaction va du côté où il y a le moins de molécules gazeuses (3 < 5)
b) Quel sera l’effet sur la production de dichlore (Cl2) si on la concentration du
chlorure d’hydrogène (HCl)? Il y aura augmentation de dichlore (Cl2) Pourquoi?
parce que la réaction va diminuer la quantité de HCl en formant des produits.
c) Quel sera l’effet sur la production de dichlore (Cl2) si on augmente la
température du système?
Il y aura diminution de dichlore (Cl2)
Pourquoi?
parce que pour diminuer la température on favorise la réaction endothermique
d) Quel sera l’effet sur la production de dichlore (Cl2) si on liquéfie l’eau (H2O)?
Il y aura augmentation de dichlore (Cl2)
Pourquoi?
parce que la réaction va vouloir former du H2O ce qui va former aussi de Cl2.
4) Pour chaque système suivant, quel sera l’effet d’une augmentation du
dioxygène (O2 (g)) sur la concentration de chaque substance?
a) 2 SO2 (g) + O2 (g)
b) 4 HCl (g) + O2 (g)
2 SO3 (g)
[SO2] diminue
[SO3] augmente
2 H2O (g) + 2 Cl2 (g)
[HCl] diminue
[H2O] augmente
[Cl2] augmente
c) 2 H2O2 (aq)
[H2O2] augmente
2 H2O (l) + O2 (g)
[H2O] diminue
d) 4 CuO (s)
2 Cu2O (s) + O2 (g)
quantité de CuO (s) augmente
[Cu2O] diminue
e) 2 C (s)+ O2 (g)
2 CO (g)
quantité de C (s) diminue
[CO] augmente
5) Pour chaque système suivant, est-ce que la diminution de la pression favorise
les réactifs ou les produits? Pourquoi?
2 SO3 (g) Elle favorise les RÉACTIFS
a) 2 SO2 (g) + O2 (g)
parce que c’est le côté qui a le plus de molécules gazeuses (3 > 2).
2 H2O (g) + 2 Cl2 (g) Favorise les RÉACTIFS
b) 4 HCl (g) + O2 (g)
parce que c’est le côté qui a le plus de molécules gazeuses (5 > 4).
c) 2 H2O2 (aq)
2 H2O (l) + O2 (g)
Elle favorise les PRODUITS
parce que c’est le côté qui a le plus de molécules gazeuses (1 > 0).
d) 4 CuO (s)
2 Cu2O (s) + O2 (g) Elle favorise les PRODUITS
parce que c’est le côté qui a le plus de molécules gazeuses (1 > 0).
2 CO (g)
e) 2 C (s)+ O2 (g)
Elle favorise les PRODUITS
parce que c’est le côté qui a le plus de molécules gazeuses (2 > 1).
6) Pour chaque système suivant, est-ce que la diminution de la température
favorise les réactifs ou les produits?
a) H2 (g)+ I2 (g)
2 HI (g) ∆H = - 5,00 kJ/mol Elle favorise les PRODUITS
parce que c’est le système veut augmenter la T˚, il va du côté de l’énergie.
C (s) + 2 H2 (g)
b) CH4 (g)+ 75,0 kJ
Elle favorise les RÉACTIFS
parce que c’est le système veut augmenter la T˚, il va du côté de l’énergie.
CO (g) + H2 (g) Favorise les RÉACTIFS
c) H2O (g) + C (s) + 131,8 kJ
parce que c’est le système veut augmenter la T˚, il va du côté de l’énergie.
d) 2 H2 (g) + CO (g)
CH3OH (g) + 116 kJ
Elle favorise les PRODUITS
parce que c’est le système veut augmenter la T˚, il va du côté de l’énergie.
e) 3 H2 (g) + 6 C (s)
C6H6 (g)
∆H = + 49,0 kJ/mol
Les RÉACTIFS
parce que c’est le système veut augmenter la T˚, il va du côté de l’énergie.
7) Le dioxyde de carbone (CO2 (g)) se forme dans l’air lorsque le monoxyde de
carbone (CO (g)) se combine avec du dioxygène (O2 (g)).
2 CO2 (g) + 566 kJ
2 CO (g) + O2 (g)
Quel sera l’effet de chaque perturbation sur le sens de la réaction chimique,
sur la concentration de chaque substance et sur l’énergie.
8) Quelle est l’expression mathématique de la constante d’équilibre dans les
équations suivantes?
2 SO2 (g) + O2 (g)
a) 2 SO3 (g)
Kc = [SO2]2 [O2] / [SO3]2
b) NH4NO2 (s)
N2 (g) + 2 H2O (g)
Kc = [N2] [H2O]2
c) 3 Fe (s) + 4 H2O (g)
Fe3O4 (s) + 4 H2 (g)
Kc = [H2]4 / [H2O]4
d) SiHCl3 (g) + 3 H2O (g)
SiH(OH)3 (s) + 3 HCl (g)
Kc = [HCl]3 / [SiHCl3] [H2O]3
e) 4 NH3 (g) + 3 O2 (g)
2 N2 (g) + 6 H2O (g)
Kc = [N2]2 [H2O]6 / [NH3]4 [O2]3
9) La réaction de formation du dioxyde d’azote (NO2) est:
Kc = 9,80 x 10-21 à 25 ˚C
2 NO2 (g)
2 N2 (g) + O2 (g)
a) Quelle sera la constante d’équilibre de la réaction de la décomposition du
dioxyde d’azote (NO2)? __________________________________________________________
9,80
x
10-21 =
[NO2]2
------> Kc = [N2] 2 [O2] =
1
= 1,02
[N2]2 [O2]
[NO2] 2
9,80 x 10-21
b) Quelle sera la valeur de la
constante d’équilibre pour:
N2 (g) + 1/2 O2 (g)
NO2 (g)
x
1020
Kc=9,8x10-21
Les proportions restant les mêmes, la valeur de Kc ne change pas.
10) À une température de 800 ˚C, de la vapeur d’eau mise en contact avec du
charbon (C (s)) donne 2 gaz: le monoxyde de carbone et le dihydrogène.
À l’équilibre, on a: [H2O) = 1,00
x
10-2 mol/L et [H2) = [CO] = 4,00
Quelle est la constante d’équilibre de cette réaction?
H2O (g) + C (s)
Kc = [CO] [H2] = 4,00
[H2O]
x
x
10-2 mol/L.
Kc = 0,16
CO (g) + H2 (g)
10-2 x 4,00
1,00 x 10-2
x
10-2 = 0,16
11) Dans un récipient de 1,00 L, on place 0,100 mole de monoxyde d’azote,
0,0500 mole de dihydrogène et 0,100 mole d’eau.
La réaction suivante se produit:
N2 (g) + 2 H2O (g)
2 NO (g) + 2 H2 (g)
À l’équilibre, la concentration du monoxyde d’azote est de 0,0620 mol/L.
Quelle est la constante d’équilibre de cette réaction?
Kc = 654
Étapes
2 NO
2 H2
N2
2 H2O
Initiale
0,100 mol/L
0,0500 mol/L
0,000 mol/L
0,100 mol/L
+ 0,0190 mol/L
+ 0,0380 mol/L
0,0190 mol/L
0,1380 mol/L
Réaction
À l’équilibre
- 0,0380 mol/L - 0,0380 mol/L
0,0620 mol/L
0,0120 mol/L
Kc = [H2O]2 [N2] = 0,13802 x 0,0190 = 653,6810614
[NO]2 [H2]2
0,06202 x 0,01202
12) Dans un récipient de 3,00 L, on place 3,00 moles de dioxyde de soufre et
3,00 moles de dioxygène. On les maintient à 727 ˚C pour que se produise la
réaction suivante:
2 SO2 (g) + O2 (g)
2 SO3 (g)
À l’équilibre, la concentration du trioxyde de soufre est de 0,828 mol/L.
Quelle est la constante d’équilibre de cette réaction?
Kc = 39,5
Étapes (réaction)
2 SO2
O2
2 SO3
Initiale
1,00 mol/L
1,00 mol/L
0,000 mol/L
Durant la réaction
- 0,828 mol/L
- 0,414 mol/L
+ 0,828 mol/L
À l’équilibre
0,172 mol/L
0,586 mol/L
0,828 mol/L
Kc =
[SO3]2
=
0,8282
= 39,54632797
2
[SO2] [O2]
0,1722 x 0,586
13) Un échantillon de NOBr se décompose selon l’équation suivante:
2 NO (g) + Br2 (g)
2 NOBr (g)
Dans un récipient de 5,00 L, le mélange, à l’équilibre, contient 3,22 g de NOBr,
3,08 g de NO et 4,19 g de Br2.
Quelle est la constante d’équilibre de cette réaction?
Kc = 0,0647
mNOBr = 14g + 16 g + 80 g = 110 g mNO = 14g + 16 g = 30 gmBr2 = 80 g x 2= 160 g
1 mole = nNOBr
1 mole = nNO
1 mole =
nBr2
110 g
3,22 g
30 g
3,08 g
160 g
4,19 g
nNOBr = 0,0293 mole
nNO = 0,103 mole
nBr2 = 0,0261875 mole
cNOBr = 0,0293 mole
cNO = 0,103 mole
cBr2 = 0,0261875 mole
5,00 L
5,00 L
5,00 L
cNOBr = 0,00586 mol/L
cNOBr = 0,0206 mol/L
cNOBr = 0,0052375 mol/L
Kc = [NO]2 [Br2]
= 0,02062 x 0,0052375 = 0,0647236864
[NOBr]2
0,005862
14) Dans un récipient de 2,00 L, on chauffe, à 427 ˚C, 1,274 g de dihydrogène
avec 70,31 g de dibrome gazeux pour obtenir du bromure d’hydrogène gazeux.
À l’équilibre, le récipient contient 0,566 g de dihydrogène gazeux.
Quelle est la constante d’équilibre de cette réaction?
Kc = 20,6
H2 (g) + Br2 (g)
2 HBr (g)
mH2 = 1 g x 2= 2 g
mBr2 = 40 g x 2= 80 g
1 mole = nH2 ----> nH2= 0,637 mol
1 mole = nBr2 -----> nH2= 0,440 mol
2g
1,274 g
160 g 70,31 g
1 mole =
nH2
------> nH2= 0,283 mol
2g
0,566 g
Étapes (réaction)
H2
Br2
2 HBr
Initiale
0,3185 mol/L
0,220 mol/L
0,0000 mol/L
Durant la réaction
- 0,1770 mol/L
- 0,1770 mol/L
+ 0,3540 mol/L
À l’équilibre
0,1415 mol/L
0,043 mol/L
0,3540 mol/L
Kc =
[HBr]2
[H2] [Br2]
=
0,35402
0,1415 x 0,043
= 20,5959405
15) On a 3 réactions chimiques différentes. Les constantes d’équilibre sont:
réaction 1, Kc = 0,00400; réaction 2, Kc = 1,00
x
10-4; réaction 3, Kc = 3 300.
Laquelle des réactions chimiques est la plus complète?
réaction 3
Pourquoi? parce que c’est celle qui a la constante d’équilibre la plus grande.
16) On a analysé 5 réactions chimiques différentes. On a calculé les constantes
d’équilibre suivantes: réaction A, Kc = 18,0; réaction B, Kc = 0,750;
réaction C, Kc = 1,00; réaction D, Kc = 103,20; réaction E, Kc = 7,50
x
10-2.
a) Quelles réactions favorisent plus les produits que les réactifs?
A&D
Pourquoi? parce qu’elles ont la constante d’équilibre la plus grande.
b) Quelles réactions favorisent plus les réactifs que les produits?
B&E
Pourquoi? parce qu’elles ont la constante d’équilibre la plus petite.
c) Dans quelles réactions y a-t-il autant de produits que de réactifs à
l’équilibre? réaction C Pourquoi? parce que la constante d’équilibre = 1,00
17) Un morceau de carbone solide pesant 120 g est placé en présence de 5,00
moles de dioxygène dans un récipient de 20,0 litres à 400 ˚C.
C (s) + O2 (g)
CO2 (g)
Kc = 1,50 à 400 ˚C
Quelle est la concentration du dioxyde de carbone à l’équilibre?
cCO2 = 0,150 mol/L
Étapes (réaction)
C
O2
CO2
Initiale
---------------------
0,250 mol/L
0,000 mol/L
Durant la réaction
---------------------
-X
+X
À l’équilibre
---------------------
0,250 mol/L - X
X
Kc = [CO2] =
X
= 1,50 ------> X = 1,50
[O2]
0,250 - X
x
(0,250 - X) = 0,375 - 1,50 X
X + 1,50 X = 0,375 ------> X = 0,375 = 0,150 mol/L
2,5
18) À 1 200˚C, la constante d’équilibre est de 2,50 x 104 pour la réaction:
H2 (g) + Cl2 (g)
2 HCl (g)
Au départ, on introduit 0,500 mole de dihydrogène et 0,500 mole de dichlore
dans un récipient de 1,00 litre.
Combien de moles de chlorure d’hydrogène seront formées à l’équilibre?
nHCl = 0,988 moles
Étapes (réaction)
H2
Cl2
2 HCl
Initiale
0,500 mol/L
0,500 mol/L
0,000 mol/L
Durant la réaction
-X
-X
+2X
À l’équilibre
0,500 mol/L - X
0,500 mol/L - X
2X
Kc =
[HCl]2 =
(2 X)2
= 2,50
[H2] [Cl2]
(0,500 - X) (0,500 - X)
x
104 = 25 000
4 X2 = 25 000 (0,250 - 1,00 X + X2) ------> 0 = 24 996 X2 - 25 000 X + 6 250
X= -(- 25000) ± √(- 250002 - 4 (24996) (6250))= 0,506 ou 0,4937544454
2 (24 996)
[HCl) = 2
x
0,4937544454 = 0,9875088908 mol/L
19) On introduit 5,00 moles de monoxyde de carbone et 2,50 moles de
dichlore dans un récipient de 10,0 litres pour avoir la réaction suivante:
CO (g) + Cl2 (g)
COCl2 (g)
Kc = 4,00
Quelle est la concentration de chacune des substances à l’équilibre?
[CO] = 0,354 mol/L
[Cl2] = 0,104 mol/L
[COCl2] = 0,146 mol/L
Étapes (réaction)
CO
Cl2
COCl2
Initiale
0,500 mol/L
0,250 mol/L
0,000 mol/L
Durant la réaction
-X
-X
+X
À l’équilibre
0,500 mol/L - X
0,250 mol/L - X
X
Kc = [COCl2] =
[CO] [Cl2]
X
= 4,00
(0,500 - X) (0,250 - X)
X = 4,00 (0,125 - 0,750 X + X2) ------> 0 = 4,00 X2 - 4,00 X + 0,500
X= -(- 4,00) ± √(- 4,002 - 4 (4,00) (0,500))= 0,8535533906 ou 0,1464466094
2 (4,00)
[COCl2] = 0,146 mol/L
[CO] = 0,500 mol/L - 0,146 mol/L = 0,354 mol/L
[Cl2] = 0,250 mol/L - 0,146 mol/L = 0,104 mol/L
20) Quelle est la concentration en ion hydrogène des solutions suivantes:
a) [OH-] = 1,41 x 10-6 mol/L?
[H+] = 7,10 x 10-9 mol/L
-6
pOH = - log 1,41 x 10 = 5,850780887
pH = 14,0 - 5,851 = 8,149 ------> [H+] = 10-8,149 = 7,10 x 10-9 mol/L
b) pOH = 10,43?
[H+] = 2,69 x 10-4 mol/L
pH = 14,00 - 10,43 = 3,57 ------> [H+] = 10-3,57 = 2,69 x 10-4 mol/L
c) pH = 3,54?
[H+] = 2,88 x 10-4 mol/L
pH = 3,54 ------> [H+] = 10-3,54 = 2,88 x 10-4 mol/L
21) Une solution d’acétate d’hydrogène (HCH3COO) de 0,100 mol/L s’ionise à
1,32 % à 25,0 ˚C.
Quelle est la constante de dissociation de cette acide?
Ka = 1,77 x 10-5
H+ (aq) + CH3COO- (aq)
HCH3COO (aq)
[H+] = [CH3COO-] = 0,100 mol/L x 1,32/100 = 0.00132 mol/L
[HCH3COO] = 0,100 mol/L - 0,00132 mol/L = 0,09868 mol/L
Ka = [H+] [CH3COO-] = (0,00132) (0,00132) = 1,765707337 x 10-5
[HCH3COO]
0,09868
22) Une solution de fluorure d’hydrogène (HF) de 0,400 mol/L se dissocie à
50,0 % à 25,0 ˚C.
Quelle est la concentration de chacune des substances à l’équilibre?
[HF] = [H+] = [F-] = 0,200 mol/L
H+ (aq) + F- (aq)
HF (aq)
[H+] = [F-] = 0,400 mol/L x 50/100 = 0.200 mol/L
[HCH3COO] = 0,400 mol/L - 0,200 mol/L = 0,200 mol/L
23) La dissolution de 2,30 g d’acide formique (HHCOO) dans 1,00 litre d’eau à
20,0 ˚C fournit une solution dont la concentration est en ion hydrogène est de
0,00300 mol/L.
Quelle est la constante de dissociation de cette acide?
Ka = 1,91 x 10-4
H+ (aq) + HCOO- (aq)
HHCOO (aq)
MHHCOO= 1 g
2 = 46 g ---> 1 mole= nHHCOO ---> nHHCOO=0,05 mol
46 g
2,30 g
[HHCOO] = 0,0500 mol/L - 0,00300 mol/L = 0,0470 mol/L
Ka = [H+] [HCOO-] = (0,00300) (0,00300) = 1,914893617 x 10-4
[HHCOO]
0,0470
x
2 + 12g + 16 g
x
24) On a une solution d’acétate d’hydrogène de 0,850 mol/L. La constante de
dissociation de cette acide est de 1,80 x 10-5.
Quel est la concentration en ion hydrogène à l’équilibre? [H+] = 0,00391 mol/L
H+ (aq) + CH3COO- (aq)
HCH3COO (aq)
Étapes (réaction)
HCH3COO
H+
CH3COO-
Initiale
0,850 mol/L
0,000 mol/L
0,000 mol/L
Durant la réaction
-X
+X
+X
À l’équilibre
0,850 mol/L - X
X
X
Ka = [H+] [HCOO-] = (X) (X)
= 1,80 x 10-5 (le “X” de 0,850 - X est négligeable)
[HHCOO]
0,850 - X
-2
-5
X = 1,53 x 10 ------> X = 0,0039115214 mol/L
25) La constante de dissociation (Kps) du dihydroxyde de magnésium est de 1,20
x
10-11. On a une solution saturée de cette base.
Quelle est la concentration en ion hydrogène à l’équilibre?
[H+] = 3,47
Mg(OH)2 (s)
x
10-11 mol/L
Mg2+ (aq) + 2 OH- (aq)
À l’équilibre, on a [Mg2+] = X et [OH-] = 2 X
Kps = [Mg2+] [OH-]2 = 1,20
X = 1,44224957
[OH-] = 2
x
x
=
10-11 = (X) (2 X)2 ------> 1,20
x
10-11 = 4 X3
10-4 mol/L
1,44224957
[H+] = Keau
[OH-]
x
10-4 mol/L = 2,884499141
x
10-4 mol/L
x
1,00 x 10-14
= 3,46680637
2,884499141 x 10-4 mol/L
x
10-11 mol/L
26) La constante de dissociation (Kps) du difluorure de baryum (BaF2) est de
1,70
x
10-6.
Quelle est, en g/L, la solubilité du difluorure de baryum (BaF2)?
Ba2+ (aq) + 2 F- (aq)
BaF2 (s)
Kps = [Ba2+] [F-]2 = 1,70
10-6 = (X) (2 X)2 ------> 1,70
x
1,32 g/L
10-6 = 4 X3
x
X = 0,007518473 mol/L
1 mole de BaF2 produit 1 mole de Ba2+ alors, pour 0,007518473 mol/L de Ba2+, il
y aura 0,007518473 mol/L de BaF2 qui se sera dissout.
mmolaire BaF2 = 137,33 g + 2
x
19 g = 175,33 g
175,33 g =
X
------> X = 175,33 g
1 mole
0,007518473 mole
0,007518473 = 1,31821 g
x
27) Quelle est, en mol/L, la solubilité des composés suivants:
a) Al(OH)3 où Kps = 2,00
x
10-32?
Al(OH)3 (s)
5,22
x
10-9 mol/L
Al3+ (aq) + 3 OH- (aq)
Kps = [Al3+] [OH-]3 = 2,00 x 10-32 = (X) (3 X)3 ------> 2,00
X = 5,2169486 x 10-9 mol/L
b) CaSO4 où Kps = 6,10
x
10-5?
CaSO4 (s)
Kps = [Ca2+] [SO42-] = 6,10
x
x
10-32 = 27 X4
0,00781 = 7,81
x
10-3 mol/L
Ca2+ (aq) + SO42- (aq)
10-5 = (X) (X) ------> 6,10
x
10-5 = X2
X = 0,0078102497 mol/L
c) Ag2CO3 où Kps = 8,10
x
10-12?
1,27
x
10-4 mol/L
2 Ag+ (aq) + CO32- (aq)
Ag2CO3 (s)
Kps = [Ag+]2 [CO32-] = 8,10 x 10-12 = (2 X)2 (X) ------> 8,10 x 10-12 = 4 X3
X = 1,265148998 x 10-4 mol/L