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Le quotient de réaction Q

Définition du quotient de réaction Q et comment il est utilisé pour prévoir le sens de la réaction

Qu'est-ce que Q ?

Le quotient réactionnel Q est une mesure des quantités relatives de produits par rapport aux réactifs, présents dans le système, à un instant donné.
Pour la réaction réversible équilibrée aA+bBcC+dD, dont a, b, c et d sont les coefficients stœchiométriques, Q se calcule grâce à la formule :
Q=[C]c[D]d[A]a[B]b
Cette formule peut vous sembler très familière... Car il s'agit d'un concept très similaire à celui de la constante d'équilibre K. À une différence près : la constante d'équilibre a une valeur bien précise pour une réaction donnée et elle se calcule avec les concentrations à l'équilibre. Q, à l'inverse, se calcule à n'importe quel moment, qu'on soit à l'équilibre ou non, et peut donc prendre des valeurs multiples qui dépendent du moment choisi.
La valeur de Q nous renseigne sur ce qui est présent dans l'enceinte de réaction. Qu'est-ce que cela veut dire ? Pour l'expliquer, appuyons-nous sur des cas extrêmes. Juste avant le début de la réaction, quand rien n'a encore réagi, les concentrations des produits sont [C]=[D]=0. Comme le numérateur est nul, on a Q=0. Au contraire, pour une réaction qui a consommé tous les réactifs, on a [A]=[B]=0 au dénominateur, et Q est infini. Bien sûr, la plupart du temps, on se situe entre ces deux situations extrêmes ; on peut cependant retenir que de faibles valeurs de Q indiquent que l'enceinte est remplie majoritairement de réactifs, tandis qu'avec des valeurs élevées de Q, on y trouvera surtout des produits.
La comparaison des valeurs de Q et de K nous permet de déterminer dans quel sens la réaction se déroulera pour atteindre l'équilibre. Le raisonnement ressemble à celui du principe de Le Chatelier.

Utilisation de Q pour prévoir le sens d'évolution de la réaction

Grâce au principe de Le Chatelier, on sait que lorsqu'une modification des conditions éloigne la réaction de son état d'équilibre, celle-ci résistera au changement et se déroulera dans un sens qui lui permet d'atteindre un nouvel état d'équilibre. La comparaison de Q avec K permet de déduire le sens de la réaction — va-t-elle consommer plus de réactifs ou va-t-elle consommer une partie des produits pour produire des réactifs ? Ou encore, on pourrait déjà se trouver dans un état d'équilibre.
Il y a trois scénarios à considérer :
1. Q>K
Partons de l'expression de Q donnée ci-dessus. Au numérateur, on trouve les pressions partielles, ou concentrations, des produits ; au dénominateur, les concentrations, ou pressions partielles, des réactifs. Si Q>K, il y a plus de produits dans notre enceinte que ce qui s'y trouverait à l'équilibre. La réaction se déroulera donc de façon à consommer ces produits. Elle favorise la réaction inverse pour atteindre l'équilibre.
2. Q<K
Dans ce cas-ci, le rapport des produits sur les réactifs est inférieur à celui du système à l'équilibre. Autrement dit, la concentration des réactifs est plus élevée que celle qu'on trouverait à l'équilibre ; on peut aussi le voir comme si la concentration des produits était trop basse. La réaction va donc favoriser la réaction directe afin de consommer l'excès de réactifs pour diminuer leur concentration, et ainsi augmenter la concentration des produits.
3. Q=K
Parfait ! La réaction est déjà à l'équilibre ! Les concentrations n'évoluent plus, car les vitesses des réactions directe et inverse sont égales.

Résolution graphique

On sait que Q peut prendre des valeurs allant de zéro (uniquement des réactifs dans l'enceinte) à l'infini (uniquement des produits). On sait aussi que la réaction se déroulera dans le sens qui lui permet d'atteindre l'équilibre, si elle n'y est pas déjà. Résumons ces considérations à l'aide d'une droite graduée sur laquelle on place Q :
On peut définir sur cette droite trois régions : pour de très petites valeurs de Q autour de 103 ou moins, l'enceinte ne contient pratiquement que des réactifs. Pour des valeurs moyennes de Q entre 103 et 103 environ, on y trouve un mélange de produits et de réactifs, avec des concentrations comparables. Enfin, si Q est très grand, plus élevé que 103, il n'y a pratiquement que des produits.
Si l'on place Q et K sur notre droite graduée, le sens dans lequel on va de Q à K nous montre comment la réaction évolue. Si l'on doit se déplacer vers la droite, c'est que les concentrations de produits doivent augmenter et que la réaction directe est favorisée. Si l'on doit se déplacer vers la gauche, vers l'origine de la droite, c'est pour augmenter les concentrations de réactifs, et c'est donc la réaction inverse qui est favorisée.

Exemple

Calculez Q à partir des concentrations données.
Ensuite, déterminez le sens de la réaction qui est favorisé, sachant que K=1,0
CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
[CO(g)]=[H2O(g)]=1,0M
[CO2(g)]=[H2(g)]=15M
On trouve Q en utilisant la formule appliquée à cette équation de réaction équilibrée, puis en y introduisant les valeurs numériques données.
Q=[CO2(g)][H2(g)][CO(g)][H2O(g)]=(15M)(15M)(1,0M)(1,0M)=225
En comparant Q à K, on voit que Q>K, ce qui veut dire qu'il y a trop de produits par rapport à l'équilibre. Ainsi, c'est la réaction inverse qui est favorisée.
Graphiquement, voici la situation de Q et de K :
On constate que Q se trouve près de la région où il y a surtout des produits, qui se situe à la droite de K. La réaction se déroulera dans le sens qui permet à Q de se rapprocher de K. On symbolise cela par la flèche verte ci-dessous. Cette flèche a Q pour origine et K pour extrémité. Elle est dirigée vers la gauche, comme la réaction inverse. C'est bien celle-ci qui est favorisée, de façon à réduire la quantité de produits, tout en augmentant la quantité de réactifs.
Les deux méthodes donnent la même réponse, on peut donc choisir celle qui nous "parle" le plus !

À retenir

En comparant le quotient réactionnel Q à la constante d'équilibre K, on peut prévoir le sens dans lequel la réaction se déroulera pour atteindre un état d'équilibre. Q apparaîtra encore dans d'autres chapitres de chimie, car il permet de prévoir la variation de variables thermodynamiques quand on ne se trouve pas à l'équilibre. À suivre...

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