Critère d’évolution spontanée d’un système hors équilibre chimique - Interprétation

On considère une transformation mettant en jeux deux réactifs `"R"_1` et `"R"_2` ainsi que deux produits `"P"_1`et `"P"_2`, modélisée par une réaction d'équation : \(\text r_1 \text{R}_1+ \text r_2 \text{R}_2\rightleftarrows \text p_1 \text{P}_1+\text p_2 \text{P}_2\).

Le quotient de réaction s'exprime à l'aide des activités des espèces mises en jeu : `Q_"r"=\frac {a_{"produit,P"_"1"}^{"p"_"1"} \times a_{"produit,P"_"2"}^{"p"_"2"}}{a_{"réactif,R"_"1"}^{"r"_"1"} \times a_{"réactif,R"_"2"}^{"r"_"2"}}`.

On calcule en général ce quotient de réaction à l'état initial, puis on le compare à la valeur de \(K(T)\) pour la même température afin de prévoir le sens d'évolution spontanée.

Cas où `Q_"r" < K(T)`

Le critère indique que, dans ce cas, le système évolue de manière spontanée dans le sens direct. Pourquoi ?

La configuration du système chimique est optimale lorsqu'il est à l'état d'équilibre. Cela est le cas lorsque la valeur du quotient de réaction à l'état final est égale à la constante d'équilibre de la réaction. On a donc l'égalité : 
`K(T)=\frac {a_{"produit,P"_"1","éq"}^{"p"_"1"} \times a_{"produit,P"_"2","éq"}^{"p"_"2"}}{a_{"réactif,R"_"1","éq"}^{"r"_"1"} \times a_{"réactif,R"_"2","éq"}^{"r"_"2"}}`.

Comme `Q_"r" < K(T)`, le quotient de réaction est trop faible pour le système, sa valeur va augmenter jusqu'à atteindre la valeur optimale. La transformation a lieu de manière à :

• former des produits pour augmenter leur activité (`a_{"produit,P"_"1"}`et `a_{"produit,P"_"2"}` augmentent) ;
• consommer des réactifs pour diminuer leur activité (`a_{"réactif,R"_"1"}`et `a_{"réactif,R"_"2"}` diminuent).

Ainsi, le quotient de réaction `Q_"r"` augmente jusqu’à atteindre la valeur de `K(T)`. Le système est alors à l'équilibre chimique et l'avancement de la réaction atteint sa valeur finale.

Cas où `Q_"r" > K(T)`

Le critère indique que, dans ce cas, le système évolue de manière spontanée dans le sens indirect. Cette fois-ci, le quotient de réaction est trop élevé pour le système : sa valeur doit diminuer jusqu'à atteindre la valeur optimale. La transformation a lieu de manière à :

• consommer des produits pour diminuer leur activité (`a_{"produit,P"_"1"}`et `a_{"produit,P"_"2"}`diminuent) ;
• former des réactifs pour augmenter leur activité (`a_{"réactif,R"_"1"}`et `a_{"réactif,R"_"2"}` augmentent).
  

Ainsi, le quotient de réaction `Q_"r"` diminue jusqu’à atteindre la valeur de `K(T)`. À l'état final, le système est alors à l'équilibre chimique et l'avancement de la réaction atteint sa valeur finale. On a `Q_"r" = K(T)`.