Méthode générale de description d'un état d'équilibre

La description de l'état final d'un système connaissant l'état initial du même système est un problème fondamental de la thermodynamique chimique. Sa résolution peut s'effectuer en mettant en oeuvre les étapes suivantes :

  1. écrire et équilibrer la réaction chimique correspondant à la transformation

  2. bien identifier les conditions de la transformation (température, réaction effectuée à pression constante ou à volume constant)

  3. s'assurer que l'état initial du système étudié est bien défini ( quantité de matière[1] ou pression partielle[2] ou concentration[3] de chacun des réactifs[4] par exemple )

  4. indiquer l'état physique (gaz, liquide, solide, solvant ou soluté) de chacun des composés impliqués

  5. calculer \(K\) à la température correspondante à la transformation

  6. écrire l'expression du quotient réactionnel[5] \(Q\) en fonction des activités puis remplacer les activités[6] par leurs expressions en fonction de l'état physique des composés.

  7. calculer la valeur \(Q^{\circ}\) du quotient réactionnel \(Q\) à l'état initial et comparer \(Q^{\circ}\) et \(K\). Si \(Q^{\circ} < K\) le système va évoluer jusqu'à ce que \(Q_\textrm{eq} = K\) c'est à dire que \(Q\) va croître de la valeur \(Q^{\circ}\) jusqu'à la valeur \(K\), donc que la transformation va s'effectuer de la gauche vers la droite (formation des produits de la réaction et consommation des réactifs). Si \(Q^{\circ} > K\) c'est bien sûr l'inverse qui se produit , la réaction a lieu de droite à gauche (consommation des composés de droite et formation de ceux de gauche). Pour qu'il en soit ainsi, il faut bien sûr qu'il y ait suffisamment de réactifs[4] et de produits[7] pour que l'état d'équilibre[8] soit atteint.

  8. exprimer l'activité[6] \(a_i\) à l'équilibre pour chacun des composés en fonction de l'avancement de réaction[9] \(\xi\) ou en fonction du taux d'avancement de réaction \(x\) [10] et des données initiales. Cette étape impliquera souvent d'effectuer un bilan réactionnel[11] sur chacun des composés, bilan qui ne pourra se faire qu'après avoir identifié le réactif minoritaire. On obtient ainsi les expressions des activités \(a_i\) de chaque composé \(i\) \(a_i(\xi)\) ou \(a_i(x)\) qui permettent d'exprimer le quotient réactionnel \(Q(\xi)\) ou \(Q(x)\).

  9. résoudre l'équation \(K = Q(\xi_\textrm{eq})\) ou l'équation \(K = Q(x_\textrm{eq})\) pour obtenir la valeur de l'avancement de réaction ou du taux d'avancement de réaction. Lorsque cette résolution sera délicate, on l'effectuera par approximations successives.[12]

  10. vérifier que la valeur de \(\xi_\textrm{eq}\) obtenue n'est pas supérieure à celle de \(\xi_\textrm{max}\) ou que la valeur de \(x_\textrm{eq}\) calculée est bien comprise entre 0 et 100%. Si cela est le cas il s'agit d'une situation où la quantité d'un des réactifs est insuffisante pour atteindre l'état d'équilibre (cela ne peut se produire que pour des réactions hétérogènes[13]) ou ... d'une erreur de calculs.

  11. utiliser éventuellement ce taux d'avancement ou cet avancement de réaction pour calculer les pressions, quantités de matière ou concentrations de chacun des composés impliqués dans la transformation.

Les paragraphes suivants montrent comment appliquer cette méthode à différentes transformations.