Les cours de Paul Arnaud - Exercices résolus de chimie physique

Paul Arnaud, Françoise Rouquérol, Gilberte Chambaud, Roland Lissillour

Chapter 14 ÉQUILIBRES CHIMIQUES - all with Video Answers

Educators

Chapter Questions

Problem 1

La notion d'équilibre est utilisée pour décrire la situation dans laquelle se trouvent des systèmes chimiques étudiés au niveau macroscopique (à notre échelle), en raisonnant sur des quantités de matière mesurables.
Peut-on l'appliquer au niveau microscopique, par exemple pour une réaction pouvant se produire dans les deux sens et se réalisant à partir d'un petit nombre de molécules, ou même une seule molécule de chaque réactif?

David Collins

Numerade Educator

01:36

Problem 2

Après avoir laissé s'établir l'équilibre $\mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{I}_2(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons 2 \mathrm{HI}(\mathrm{g})$, de telle sorte que la composition du mélange des trois gaz ne varie plus dans le temps, on y introduit du deutérium $\mathrm{D}_2$ gazeux (le deutérium $\mathrm{D}$ est l'isotope de masse 2 de l'hydrogène, et $\mathrm{D}_2$ a pratiquement les mêmes propriétés chimiques que $\mathrm{H}_2$ ).
Après un certain temps, on peut mettre en évidence que le mélange gazeux contient aussi de l'iodure de deutérium DI et des molécules mixtes HD. Que prouve cette observation?

Eileen Sullivan

Numerade Educator

01:27

Problem 3

Les équilibres suivants évoluent-ils, et si oui dans quel sens, si on double le volume qui est offert au système? On appellera sens 1 celui qui va de gauche à droite et sens - 1 celui qui va de droite à gauche.
a) $\mathrm{Br}_2(\mathrm{l})+\mathrm{Cl}_2(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons 2 \mathrm{BrCl}(\mathrm{g})$
b) $\mathrm{CO}(\mathrm{g})+\mathrm{Cl}_2(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons \mathrm{COCl}_2(\mathrm{~g})$
c) $2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{g})+2 \mathrm{Cl}_2(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons 4 \mathrm{HCl}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g})$
d) $2 \mathrm{COF}_2(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons \mathrm{CO}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{CF}_4(\mathrm{~g})$
e) $\mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{l})+\mathrm{CO}_2(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons \mathrm{H}_2 \mathrm{CO}_3(\mathrm{aq})$
f) $\mathrm{H}_2 \mathrm{~S}(\mathrm{~g})+\mathrm{I}_2(\mathrm{~s}) \rightleftharpoons 2 \mathrm{HI}(\mathrm{g})+\mathrm{S}(\mathrm{s})$

John Nicolle

Numerade Educator

05:50

Problem 4

L'équilibre $\mathrm{HgO}(\mathrm{s}) \rightleftharpoons \mathrm{Hg}(\mathrm{l})+1 / 2 \mathrm{O}_2$ s'étant établi dans un réacteur dont on peut faire varier le volume, quelles seraient les conséquences des interventions suivantes (toutes faites à température constante)?
a) On ajoute une petite quantité d'oxyde de mercure $\mathrm{HgO}$.
b) On retire une partie du mercure $\mathrm{Hg}$.
c) On ajoute du dioxygène à volume constant.
d) On retire une partie du dioxygène à pression constante (en faisant varier le volume pour que la pression reste constante).

Kevin Zaborsky

Numerade Educator

02:49

Problem 5

Un abaissement de la température provoquerait-il un déplacement des équilibres suivants ? Si oui, dans quel sens ? $(\rightarrow$ : sens $1 ; \leftarrow:$ sens -1$)$
a) $\mathrm{BaCO}_3 \rightleftharpoons \mathrm{BaO}+\mathrm{CO}_2 \quad \Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}=+269,3 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$
b) $\mathrm{CO}+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons \mathrm{CH}_4+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \quad \Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}=-230 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}$
c) $\mathrm{CH}_3 \mathrm{CO}_2 \mathrm{H}+\mathrm{CH}_3 \mathrm{OH} \rightleftharpoons \mathrm{CH}_3 \mathrm{CO}_2 \mathrm{CH}_3+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}} \approx 0$

David Collins

Numerade Educator

02:07

Problem 6

On réalise l'équilibre $\mathrm{PCl}_5(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons \mathrm{PCl}_3(\mathrm{~g})+\mathrm{Cl}_2(\mathrm{~g})$, à partir d'une mole de $\mathrm{PCl}_5$, dans un réacteur dont le volume peut varier, porté à $500^{\circ} \mathrm{C}$. Puis on y introduit une mole d'argon (gaz inerte qui ne réagit avec aucun des constituants du système), préalablement porté à $500^{\circ} \mathrm{C}$.
Cette addition provoque-t-elle un déplacement de l'équilibre, et si oui dans quel sens,
a) Si le volume du réacteur est maintenu constant?
b) Si la pression totale y est maintenue constante ?

Eileen Sullivan

Numerade Educator

03:09

Problem 7

Les affirmations suivantes sont-elles vraies ou fausses?
A. Si $\Delta_{\mathrm{r}} G_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}$ est positif, la réaction ne peut pas avoir lieu.
B. L'état d'équilibre est atteint lorsque $\Delta_{\mathrm{r}} G_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}$ devient nul.
C. Si, pour une réaction pouvant se faire dans les deux sens, $(\partial G / \partial \xi)_{\mathrm{T}, \mathrm{p}}$ est positif, aucune réaction n'est possible.
D. Si la constante d'équilibre est supérieure à 1, la transformation de l'ensemble des réactifs pris dans leur état de référence en l'ensemble des produits pris dans leur état de référence est possible.
E. Toutes les réactions sont par nature, possibles dans les deux sens.

Teesta Dasgupta

University of Pittsburgh - Main Campus

01:49

Problem 8

Quelle est l'expression du quotient de réaction pour les équilibres suivants :
a) $2 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+\mathrm{Cl}_2(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons 2 \mathrm{NOCl}(\mathrm{g})$
b) $\mathrm{MgSO}_3(\mathrm{~s}) \rightleftharpoons \mathrm{MgO}(\mathrm{s})+\mathrm{SO}_2(\mathrm{~g})$
c) $\mathrm{HNO}_2$ (aq) $+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{H}_3 \mathrm{O}^{+}$(aq) $+\mathrm{NO}_2^{-}$(aq)
d) $2 \mathrm{NaHCO}_3(\mathrm{~s}) \rightleftharpoons \mathrm{Na}_2 \mathrm{CO}_3(\mathrm{~S})+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{g})+\mathrm{CO}_2(\mathrm{~g})$
e) $3 \mathrm{Fe}(\mathrm{s})+4 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{g}) \rightleftharpoons \mathrm{Fe}_3 \mathrm{O}_4(\mathrm{~s})+4 \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})$
f) $\mathrm{Zn}(\mathrm{s})+2 \mathrm{Ag}^{+}(\mathrm{aq}) \rightleftharpoons \mathrm{Zn}^{2+}(\mathrm{aq})+2 \mathrm{Ag}(\mathrm{s})$

Nicole Smina

Numerade Educator

04:45

Problem 9

La constante d'équilibre $K_1$ pour l'équilibre
$$
\mathrm{N}_2 \mathrm{O}(\mathrm{g})+1 / 2 \mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons 2 \mathrm{NO}(\mathrm{g})
$$
vaut 0,97 à $298 \mathrm{~K}$.
a) Sa valeur $\left(K_2\right)$ est-elle différente si l'équation stœchiométrique est écrite :
$$
2 \mathrm{~N}_2 \mathrm{O}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons 4 \mathrm{NO}(\mathrm{g})
$$
b) Quelle serait la constante d'équilibre $K_3$ associée à l'équation stæchiométrique :
$$
4 \mathrm{NO}(\mathrm{g}) \rightleftharpoons 2 \mathrm{~N}_2 \mathrm{O}(\mathrm{g})+\mathrm{O}_2(\mathrm{~g})
$$
c) Si l'on utilise ces constantes d'équilibre pour calculer les pressions partielles des trois gaz à l'équilibre dans des conditions données, trouvera-ton dans les trois cas des valeurs identiques?

Jorge Villanueva

Numerade Educator

02:05

Problem 10

Si les équilibres
$$
\begin{gathered}
\mathrm{NH}_3+5 / 4 \mathrm{O}_2 \rightleftharpoons \mathrm{NO}+3 / 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \\
\mathrm{NO}_2 \rightleftharpoons \mathrm{NO}+1 / 2 \mathrm{O}_2
\end{gathered}
$$
et
ont respectivement pour constantes d'équilibre $K_1$ et $K_2$, quelle serait l'expression, en fonction de $K_1$ et $K_2$, de la constante d'équilibre $K_3$ pour l'équilibre :
$$
2 \mathrm{NH}_3+7 / 2 \mathrm{O}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NO}_2+3 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}
$$

Lottie Adams

Numerade Educator

01:12

Problem 11

Si les équilibres
$$
\text { et } \quad \begin{aligned}
& 2 \mathrm{CO}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{CO}+\mathrm{O}_2 \\
& 2 \mathrm{SO}_2+\mathrm{O}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{SO}_3
\end{aligned}
$$
ont respectivement pour constantes d'équilibre $K_1$, et $K_2$, quelle serait l'expression de la constante d'équilibre $K_3$ de l'équilibre.
$$
\mathrm{SO}_3+\mathrm{CO} \rightleftharpoons \mathrm{SO}_2+\mathrm{CO}_2
$$

John Nicolle

Numerade Educator

02:59

Problem 12

Si on chauffe le carbure de calcium $\mathrm{CaC}_2$ en présence de diazote, on observe l'équilibre :
$$
\mathrm{CaC}_2(\mathrm{~s})+\mathrm{N}_2(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons \mathrm{CaCN}_2(\mathrm{~s})+\mathrm{C}(\mathrm{s}) \quad\left(\Delta_{\mathrm{r}} H_{\mathrm{m}}^{\mathrm{o}}=-291 \mathrm{~kJ} \cdot \mathrm{mol}^{-1}\right)
$$

À l'air libre, sous la pression de $1 \mathrm{bar}$, cette réaction donne lieu à un équilibre à $1400^{\circ} \mathrm{C}$.
a) Quelle est la valeur de sa constante d'équilibre ?
b) Quelle évolution observerait-on en abaissant la température à $1300^{\circ} \mathrm{C}$ ?

Ronald Prasad

Numerade Educator

01:44

Problem 13

Pour prévoir une éventuelle évolution d’un système en équilibre, à la suite d’une modification imposée à la pression totale sous laquelle il se trouve, on peut s'en remettre au principe de Le Chatelier. Mais on peut aussi utiliser les relations thermodynamiques fondamentales régissant les équilibres.
Comparez ces deux approches, et montrez qu'elles conduisent aux mêmes conclusions, à propos de l'équilibre :
$$
2 \mathrm{NO}(\mathrm{g})+\mathrm{Cl}_2(\mathrm{~g}) \stackrel{1}{\stackrel{\rightharpoonup}{2}} 2 \mathrm{NOCl}(\mathrm{g})
$$

John Nicolle

Numerade Educator

04:36

Problem 14

La constante de l'équilibre suivant
$$
\mathrm{CO}(\mathrm{g})+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{g}) \rightleftharpoons \mathrm{CO}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{H}_2(\mathrm{~g})
$$
a pour valeur 1,43 à $1000 \mathrm{~K}$.
a) Un mélange formé de $1 \mathrm{~mol}$ de $\mathrm{CO}, 1 \mathrm{~mol}$ d'eau, $1 \mathrm{~mol}$ de $\mathrm{CO}_2$ et $2 \mathrm{~mol}$ de dihydrogène est-il dans un état d'équilibre à $1000 \mathrm{~K}$ ? Sinon, quel est le sens de la réaction qui s'y produit? Quelle est la composition du mélange en équilibre auquel elle conduit?
b) Si on réalise la réaction à partir d'un mélange de $\mathrm{CO}$ et $\mathrm{H}_2 \mathrm{O}$, et si on obtient un mélange en équilibre contenant $0,64 \mathrm{~mol}$ de $\mathrm{CO}, 0,14$ mol d'eau, $0,36 \mathrm{~mol}$ de $\mathrm{CO}_2$ et $0,36 \mathrm{~mol} \mathrm{de} \mathrm{H}_2$, quelle était la composition du mélange initial des deux réactifs?

Banhishikha Sinha

Numerade Educator

04:26

Problem 15

On introduit dans un réacteur de 10 litres, qu'on porte ensuite à $1000 \mathrm{~K}$, 1 mol de monoxyde de carbone $\mathrm{CO}$ et $100 \mathrm{~g}$ d'oxyde de fer $\mathrm{Fe}_3 \mathrm{O}_4$. On obtient l'équilibre :
$$
\mathrm{Fe}_3 \mathrm{O}_4(\mathrm{~s})+\mathrm{CO}(\mathrm{g}) \rightleftharpoons 3 \mathrm{FeO}(\mathrm{s})+\mathrm{CO}_2(\mathrm{~g})
$$
dont la constante d'équilibre, à cette température est 1,1 .
a) Quelle est la composition de la phase gazeuse lorsque le système n'évolue plus?
b) Quelles sont alors les pressions partielles des deux gaz?

Kevin Zaborsky

Numerade Educator

03:45

Problem 16

À $300 \mathrm{~K}$, la constante de l'équilibre
$$
\mathrm{N}_2 \mathrm{O}_4(\mathrm{~g}) \stackrel{1}{\rightleftharpoons} 2 \mathrm{NO}_2(\mathrm{~g})
$$
est $K=0,166$. L'état d'équilibre peut être caractérisé par la valeur du coefficient de dissociation,
$$
\alpha=\frac{\text { quantité de } \mathrm{N}_2 \mathrm{O}_4 \text { dissociée }}{\text { quantité initiale de } \mathrm{N}_2 \mathrm{O}_4}
$$
a) Quelle est la valeur de $\alpha$ à $300 \mathrm{~K}$,
> sous la pression totale de 1 bar?
> sous la pression totale de 0,2 bar?
b) Sous quelle pression $\alpha$ serait-il égal à 0,99 ?
c) Montrez que la mesure de la densité (par rapport à l'air) du mélange gazeux en équilibre pourrait permettre de connaître la valeur de $\alpha$.

Ronald Prasad

Numerade Educator

05:50

Problem 17

La pentachlorure de phosphore $\mathrm{PCl}_5$, se dissocie en donnant $\mathrm{PCl}_3$ et $\mathrm{Cl}_2$ :
$$
\mathrm{PCl}_5(\mathrm{~g})=\mathrm{PCl}_3(\mathrm{~g})+\mathrm{Cl}_2(\mathrm{~g})
$$
et la constante d'équilibre de cette réaction vaut 1,8 à $250^{\circ} \mathrm{C}$.
a) On porte $1,5 \mathrm{~mol}$ de $\mathrm{PCl}_5$ à $250^{\circ} \mathrm{C}$, sous une pression constante de 1 bar. Quelles sont les pressions partielles des trois gaz à l'équilibre?
b) On chauffe à $250^{\circ} \mathrm{C}, 0,7 \mathrm{~mol}$ de $\mathrm{PCl}_5$ dans une enceinte de 5 litres initialement vide. Quelle est la valeur de son coefficient de dissociation?
c) On porte à $250^{\circ} \mathrm{C}$ un mélange de $1,5 \mathrm{~mol}$ de $\mathrm{PCl}_5$ et $1 \mathrm{~mol} \mathrm{de} \mathrm{Cl}_2$, sous la pression constante de 1 bar. Quelles sont les pressions partielles des trois gaz à l'équilibre? Quel volume occupent-ils?

David Collins

Numerade Educator

02:09

Problem 18

On introduit 0,20 mol de chlorure de sulfuryle $\mathrm{SO}_2 \mathrm{Cl}_2$ gazeux dans un réacteur de 5 litres qui contient déjà une certaine quantité de dioxyde de soufre $\mathrm{SO}_2$, et dans lequel la température est $375 \mathrm{~K}$. La pression initiale est $1,60 \mathrm{bar}$. Il se produit la réaction $\mathrm{SO}_2 \mathrm{Cl}_2(\mathrm{~g})=\mathrm{SO}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{Cl}_2(\mathrm{~g})$, la pression augmente et se stabilise à 2,40 bar.
a) Quelle est la fraction de $\mathrm{SO}_2 \mathrm{Cl}_2$ qui a été consommée par la réaction?
b) Quelle est la constante d'équilibre de la réaction?
c) En quoi l'état d'équilibre final diffère-t-il si le réacteur ne contient pas de $\mathrm{SO}_2$ dès le début?

Adriano Chikande

Numerade Educator

05:17

Problem 19

La constante d'équilibre de la réaction
$$
\mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{I}_2(\mathrm{~g}) \rightleftarrows 2 \mathrm{HI}(\mathrm{g})
$$
vaut 13,4 à $250^{\circ} \mathrm{C}$
a) À cette température, quelle est la proportion molaire (\%) d'iodure d'hydrogène $\mathrm{HI}$ dans le mélange gazeux en équilibre, pour une réaction effectuée à partir d'un mélange équimolaire de dihydrogène et de diiode ?
b) Dans les mêmes conditions stœchiométriques initiales, à quelle température la proportion de $\mathrm{HI}$ dans le mélange à l'équilibre serait-elle $80 \%$ ? À cette température, quelle proportion (\%) du diiode initial a-t-elle été consommée?
c) Le diiode est de loin le plus coûteux des deux réactifs. Pour augmenter son taux de transformation en $\mathrm{HI}$ on peut utiliser un excès de dihydrogène. $\mathrm{Si}$, à la température calculée en (b), on utilisait un mélange initial contenant une quantité cinq fois plus grande de dihydrogène que de diiode, quelle serait la proportion de diiode transformée?

David Collins

Numerade Educator

02:51

Problem 20

L'iodure d'ammonium $\mathrm{NH}_4 \mathrm{I}$ solide est décomposé par chauffage en ammoniac $\mathrm{NH}_3$ et iodure d'hydrogène $\mathrm{HI}$; l'équation stœchiométrique de cette réaction s'écrit :
$$
\mathrm{NH}_4 \mathrm{I}(\mathrm{s})=\mathrm{NH}_3(\mathrm{~g})+\mathrm{HI}(\mathrm{g})
$$

Si on place 0,25 mol d'iodure d'ammonium dans un réacteur de 3 litres, préalablement vidé, et porté à $600 \mathrm{~K}$, la pression s'y stabilise à 2,6 bar.
a) Quelle est la constante d'équilibre de cette réaction, à cette température ?
b) Reste-t-il du solide ? Si oui, quelle masse reste-t-il ?
c) Quelle serait la pression totale dans ce réacteur s'il contenait déjà de l'ammoniac, sous une pression de 0,5 bar (à $600 \mathrm{~K}$ ).
d) Quelle serait la pression totale, à $600 \mathrm{~K}$, dans un réacteur vide de 5 litres, où l'on placerait $0,1 \mathrm{~mol}$ de $\mathrm{NH}_4 \mathrm{I}$ ?

Anthony Han

Numerade Educator

03:44

Problem 21

On constate que la décomposition du carbonate de calcium dont l'équation stœechiométrique s'écrit :
$$
\mathrm{CaCO}_3(\mathrm{~s})=\mathrm{CaO}(\mathrm{s})+\mathrm{CO}_2(\mathrm{~g})
$$
ne se produit pas, à l'air libre, sous $1 \mathrm{~atm}$, au-dessous de $500^{\circ} \mathrm{C}$ environ.
a) Quelle est l'origine de ce seuil ? Comment peut-on justifier la valeur de cette température minimale (et le terme «environ» employé à son sujet) ?
b) À partir de quelle température la décomposition à l'air libre du carbonate de calcium est-elle totale?
(Les données nécessaires se trouvent dans les Annexes I et J).

Shazia Naz

Numerade Educator

03:39

Problem 22

Si on observe sur une certaine durée l'équilibre
$$
\mathrm{NH}_4 \mathrm{I}(\mathrm{s}) \rightleftarrows \mathrm{NH}_3(\mathrm{~g})+\mathrm{HI}(\mathrm{g})
$$
établi à $600 \mathrm{~K}$, à partir de $0,25 \mathrm{~mol}$ de $\mathrm{NH}_4 \mathrm{I}$, dans un réacteur de 3 litres [Ex. 14.20], on constate une lente variation de la pression totale, due à une dissociation de l'iodure d'hydrogène ; l'équation stæchiométrique de cette dissociation s'écrit :
$$
2 \mathrm{HI}(\mathrm{g}) \stackrel{1}{\stackrel{1}{\rightleftharpoons}} \mathrm{H}_2(\mathrm{~g})+\mathrm{I}_2(\mathrm{~g})
$$

À $600 \mathrm{~K}$ la constante d'équilibre de la réaction (1) est égale à 1,69 , et celle de la réaction (-1) $\mathrm{H}_2+\mathrm{I}_2 \rightleftarrows 2 \mathrm{HI}$ est égale à 64 [Ex. 14.19].
a) Vers quelles valeurs d'équilibre les pressions partielles des quatre constituants gazeux et la pression totale tendent-elles?
b) Vers quelle valeur la masse restante d'iodure d'ammonium tend-elle?

Eileen Sullivan

Numerade Educator