Fiche de révision : Équilibre chimique et solubilité

📋 Plan du Cours

1. Équations de dissolution
2. Stœchiométrie des dissolutions ioniques
3. Réactions totales et équilibrées
4. Quotient et constante d’équilibre
5. Produit de solubilité
6. Sens d’évolution et saturation

📖 1. Équations de dissolution

🔑 Notions clés & Définitions

• Solide ionique : Solide composé d’ions positifs et d’ions négatifs, dont la charge totale est nulle.

📝 Points essentiels

• Le symbole (aq) indique qu’une espèce est en solution aqueuse.

• La dissolution du sucre s’écrit $\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}(s) \rightarrow C_{12}H_{22}O_{11}(aq)}$, tandis que celle du chlorure de sodium s’écrit $\mathrm{NaCl(s) \rightarrow Na^+(aq) + Cl^-(aq)}$.

• La dissolution du dioxygène s’écrit $\mathrm{O_2(g) \rightarrow O_2(aq)}$ et celle de l’éthanol $\mathrm{C_2H_6O(l) \rightarrow C_2H_6O(aq)}$.

📖 2. Stœchiométrie des dissolutions ioniques

★ À maîtriser

• La dissolution du fluorure de calcium s’écrit $\mathrm{CaF_2(s) \rightarrow Ca^{2+}(aq) + 2F^-(aq)}$, car le solide contient deux ions fluorure par ion calcium.

• Pour écrire la dissolution d’un solide ionique, les coefficients des ions formés doivent respecter la formule du solide et assurer une charge totale nulle.

Compléments

• Les dissolutions s’écrivent notamment $\mathrm{ZnS(s) \rightarrow S^{2-}(aq) + Zn^{2+}(aq)}$ et $\mathrm{Zn_3(PO_4)_2(s) \rightarrow 2PO_4^{3-}(aq) + 3Zn^{2+}(aq)}$.

• Dans l’équation $\mathrm{Zn(NO_3)_2 \rightarrow 2NO_3^- + Zn^{2+}}$, une mole de nitrate de zinc forme deux moles d’ions nitrate et une mole d’ions zinc, en conservant les mêmes proportions pour tout multiple de ces quantités.

📖 3. Réactions totales et équilibrées

★ À maîtriser

📌 Une réaction totale, notée avec une flèche simple vers la droite, consomme complètement le réactif minoritaire, tandis qu’une réaction équilibrée met en jeu simultanément les réactions directe et inverse.

Compléments

• À l’équilibre, la réaction directe et la réaction inverse ont lieu simultanément dans le système.

• Pour $\mathrm{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2}$, un état initial de 1 mol de zinc et 2 mol de chlorure d’hydrogène mène à 1 mol de chaque produit si la réaction est totale.

💡 Astuce mémo

Une flèche vers la droite marque la réaction totale ; deux sens simultanés caractérisent l’équilibre dynamique.

📖 4. Quotient et constante d’équilibre

🔑 Notions clés & Définitions

• Quotient de réaction : Grandeur qui dépend des concentrations des réactifs et des produits et évolue avec l’avancement de la réaction.

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour $\mathrm{2I^-(aq) + S_2O_8^{2-}(aq) = I_2(aq) + 2SO_4^{2-}(aq)}$, le quotient vaut $Q_r = \frac{[I_2][SO_4^{2-}]^2}{[I^-]^2[S_2O_8^{2-}]}$.

📌 Dans l’expression de Qr, les concentrations des produits figurent au numérateur et celles des réactifs au dénominateur, chacune élevée à son coefficient stœchiométrique.

Compléments

• Une concentration molaire s’exprime en mol·L⁻¹ et le quotient de réaction Qr est sans unité.

📌 Une espèce solide ou le solvant est omis de l’expression de Qr, ce qui revient à lui attribuer un facteur égal à 1.

📖 5. Produit de solubilité

🔑 Notions clés & Définitions

• Constante d’équilibre : Valeur sans unité du quotient de réaction à l’équilibre, état auquel la réaction cesse d’évoluer.
• Produit de solubilité : Pour une dissolution, la constante d’équilibre K est appelée constante d’équilibre de solubilité ou produit de solubilité Ks.

📝 Points essentiels

📐 Formule - Pour la dissolution de NaCl, $\mathrm{NaCl(s) = Na^+(aq) + Cl^-(aq)}$, le produit de solubilité vaut $K_s = [Na^+]_{eq}[Cl^-]_{eq}$.

📐 Formule - Pour la dissolution du glucose moléculaire, $\mathrm{C_6H_{12}O_6(s) \rightarrow C_6H_{12}O_6(aq)}$, le produit de solubilité vaut $K_s = C(C_6H_{12}O_6)_{eq}$.

📐 Formule - Pour la dissolution de $\mathrm{Fe(OH)_3(s) = Fe^{3+}(aq) + 3OH^-(aq)}$, $K_s = [Fe^{3+}]_{eq}[OH^-]_{eq}^3$.

📖 6. Sens d’évolution et saturation

★ À maîtriser

• Pour une dissolution, la réaction évolue de façon que Qr tende vers Ks.

• Si Qr initial est inférieur à Ks, la réaction évolue dans le sens direct, les concentrations ioniques augmentent et le soluté se dissout totalement.

• Si Qr initial est supérieur à Ks, la réaction évolue dans le sens indirect, les concentrations ioniques diminuent et un précipité se forme.

Compléments

📌 Si Qr initial est égal à Ks, le système est à l’équilibre et la solution est saturée, de sorte qu’un ajout de soluté ne se dissout plus.

• Pour AgCl, $K_s = 10^{-9{,}8} = 1{,}6\times10^{-10}$.

• Pour des concentrations initiales de Ag⁺ égale à 0,020 mol·L⁻¹ et de Cl⁻ égale à 0,40 mol·L⁻¹, $Q_{r,i} = 0{,}020\times0{,}40 = 8{,}0\times10^{-3}$, donc AgCl précipite car Qr est supérieur à Ks.

💡 Astuce mémo

Qr < Ks : dissolution ; Qr > Ks : précipitation ; Qr = Ks : équilibre.