Le principe du Chatelier décrit la réponse d'un système en équilibre pour contrer les effets provoqués par un agent extérieur. Il a été formulé en 1888 par le chimiste français Henry Louis Le Chatelier. Il s'applique à toute réaction chimique capable d'atteindre l'équilibre dans des systèmes fermés.

Qu'est-ce qu'un système fermé? C'est celui où il y a un transfert d'énergie entre ses frontières (par exemple, un cube), mais pas de matière. Cependant, pour exercer un changement dans le système, il est nécessaire de l'ouvrir, puis de le refermer pour étudier comment il répond à la perturbation (ou au changement).

Henry Louis Le Chatelier

Une fois fermé, le système retournera à l'équilibre et sa manière d'y parvenir peut être prédite grâce à ce principe. Le nouvel équilibre est-il le même que l'ancien? Cela dépend de la durée pendant laquelle le système est soumis à des perturbations externes; s'il dure assez longtemps, le nouvel équilibre est différent.

En quoi consiste?

L'équation chimique suivante correspond à une réaction qui a atteint l'équilibre:

aA + bB <=> cC + dD

Dans cette expression, a, b, c et d sont les coefficients stoechiométriques. Le système étant fermé, aucun réactif (A et B) ou produit (C et D) n'entre de l'extérieur qui perturbe l'équilibre.

Mais que signifie exactement l'équilibre? Lorsque ceci est défini, les taux de la réaction avant (vers la droite) et inverse (vers la gauche) s'égalisent. Par conséquent, les concentrations de toutes les espèces restent constantes dans le temps.

Ce qui précède peut être compris de cette manière: dès qu'un peu de A et B réagissent pour produire C et D, ils réagissent l'un avec l'autre en même temps pour régénérer les A et B consommés, et ainsi de suite tant que le système reste en équilibre.

Cependant, lorsqu'une perturbation est appliquée au système - que ce soit par l'ajout de A, de chaleur, de D ou en réduisant le volume -, le principe de Le Chatelier prédit comment il se comportera pour contrer les effets provoqués, bien qu'il n'explique pas le mécanisme moléculaire en lui permettant de revenir à l'équilibre.

Ainsi, en fonction des modifications apportées, le sens d'une réaction peut être favorisé. Par exemple, si B est le composé souhaité, un changement est exercé de telle sorte que l'équilibre se déplace vers sa formation.

Facteurs qui modifient l'équilibre chimique

Pour comprendre le principe de Le Chatelier, une excellente approximation est de supposer que l'équilibre consiste en une échelle.

Vu de cette approche, les réactifs sont pesés sur le plateau gauche (ou panier) et les produits sont pesés sur le plateau droit. A partir de là, la prédiction de la réponse du système (l'équilibre) devient aisée.

Changements de concentration

aA + bB <=> cC + dD

La double flèche dans l'équation représente la tige de la balance et les casseroles soulignées. Ainsi, si une quantité (grammes, milligrammes, etc.) de A est ajoutée au système, il y aura plus de poids sur le plateau droit et la balance s'inclinera de ce côté.

En conséquence, la soucoupe C + D s'élève; en d'autres termes, il gagne en importance par rapport au plat A + B. En d'autres termes: avec l'addition de A (comme avec B), l'équilibre décale les produits C et D vers le haut.

En termes chimiques, l'équilibre finit par se déplacer vers la droite: vers la production de plus de C et D.

Le contraire se produit si des quantités de C et D sont ajoutées au système: le plateau gauche devient plus lourd, ce qui fait que le plateau droit se soulève.

Là encore, cela se traduit par une augmentation des concentrations de A et B; par conséquent, un décalage d'équilibre est généré vers la gauche (les réactifs).

Changements de pression ou de volume

aA (g) + bB (g) <=> cC (g) + dD (g)

Les changements de pression ou de volume provoqués dans le système n'ont que des effets notables sur les espèces à l'état gazeux. Cependant, pour l'équation chimique supérieure, aucune de ces altérations ne modifierait l'équilibre.

Parce que? Parce que le nombre total de moles de gaz des deux côtés de l'équation est le même.

La balance cherchera à équilibrer les changements de pression, mais comme les deux réactions (directe et inverse) produisent la même quantité de gaz, elle reste inchangée. Par exemple, pour l'équation chimique suivante, la balance répond à ces changements:

aA (g) + bB (g) <=> eE (g)

Ici, face à une diminution de volume (ou augmentation de pression) dans le système, la balance soulèvera la casserole pour réduire cet effet.

Comment? Diminution de la pression, par la formation d'E. En effet, comme A et B exercent plus de pression que E, ils réagissent pour diminuer leurs concentrations et augmenter celle d'E.

De même, le principe du Chatelier prédit l'effet de l'augmentation du volume. Lorsque cela se produit, l'équilibre doit alors contrecarrer l'effet en favorisant la formation de grains de beauté plus gazeux qui rétablissent la perte de pression; cette fois, en déplaçant la balance vers la gauche, en soulevant le plateau A + B.

Changements de température

La chaleur peut être considérée à la fois comme réactive et comme produit. Par conséquent, selon l'enthalpie de réaction (ΔHrx), la réaction est exothermique ou endothermique. Ensuite, la chaleur est placée sur le côté gauche ou droit de l'équation chimique.

aA + bB + chaleur <=> cC + dD (réaction endothermique)

aA + bB <=> cC + dD + chaleur (réaction exothermique)

Ici, le chauffage ou le refroidissement du système génère les mêmes réponses que dans le cas de changements de concentrations.

Par exemple, si la réaction est exothermique, le refroidissement du système favorise le déplacement d'équilibre vers la gauche; tandis que s'il est chauffé, la réaction se poursuit avec une plus grande tendance vers la droite (A + B).

Applications

Parmi ses innombrables applications, étant donné que de nombreuses réactions atteignent l'équilibre, il y a les suivantes:

Dans le processus de Haber

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) <=> 2NH ₃ (g) (exothermique)

L'équation chimique supérieure correspond à la formation d'ammoniac, l'un des principaux composés produits à l'échelle industrielle.

Ici, les conditions idéales pour obtenir du NH ₃ sont celles dans lesquelles la température n'est pas très élevée et, de même, où les niveaux de pression sont élevés (200 à 1000 atm).

En jardinage

Les hortensias violets (image du haut) établissent un équilibre avec l'aluminium (Al ³⁺) présent dans les sols. La présence de ce métal, l'acide de Lewis, entraîne leur acidification.

Cependant, dans les sols basiques, les fleurs d'hortensias sont rouges, car l'aluminium est insoluble dans ces sols et ne peut pas être utilisé par la plante.

Un jardinier familier avec le principe du Chatelier pourrait changer la couleur de ses hortensias en acidifiant savamment les sols.

Dans la formation de grottes