Potentiel chimique et équilibre

Le potentiel chimique mesure la variation de l'énergie libre d'un système lors de l'ajout de matière, et l'égalisation des potentiels chimiques des réactifs et des produits détermine la position de l'équilibre chimique.

Definition

Le potentiel chimique est l'énergie libre de Gibbs molaire partielle d'une espèce, et l'équilibre chimique est l'état dans lequel l'énergie totale de Gibbs est minimisée, de sorte que les potentiels chimiques pondérés des réactifs et des produits sont égaux.

Scope

Ce sujet aborde le potentiel chimique en tant qu'énergie molaire partielle de Gibbs, sa dépendance à la température, à la pression et à la composition via l'activité et la fugacité, ainsi que son rôle de force motrice pour les réactions et les changements de phase. Il développe la condition d'équilibre pour une réaction, la relation entre l'énergie de Gibbs standard de réaction et la constante d'équilibre, et la réponse de l'équilibre aux changements de conditions par le principe de Le Chatelier et l'équation de van't Hoff. La mesure calorimétrique des énergies sous-jacentes est traitée dans un sujet distinct.

Core questions

• Comment le potentiel chimique d'une espèce dépend-il de son activité ou de sa pression partielle ?
• Pourquoi l'équilibre est-il atteint lorsque l'énergie de Gibbs de réaction, et non l'énergie de Gibbs standard, est nulle ?
• Comment la constante d'équilibre dépend-elle de la température via l'équation de van't Hoff ?
• Comment le principe de Le Chatelier prédit-il la réponse de l'équilibre aux perturbations ?

Key concepts

• Potentiel chimique et grandeurs molaires partielles
• Activité, fugacité et états standard
• Constante d'équilibre et quotient de réaction
• Équation de van't Hoff et dépendance à la température
• Principe de Le Chatelier

Key theories

Constante d'équilibre à partir de l'énergie de Gibbs de réaction

L'énergie de Gibbs de réaction est la pente de l'énergie totale de Gibbs le long de la coordonnée de réaction ; la fixer à zéro donne la condition d'équilibre et la relation entre l'énergie de Gibbs standard de réaction et la constante d'équilibre.

Dépendance à la température via l'équation de van't Hoff

La variation de la constante d'équilibre avec la température est régie par l'enthalpie standard de réaction ; ainsi, les équilibres exothermiques se déplacent vers les produits lors du refroidissement et les équilibres endothermiques lors du chauffage.

Clinical relevance

Le potentiel chimique et l'équilibre régissent le rendement des synthèses industrielles telles que le procédé Haber-Bosch, la solubilité et la répartition des médicaments et des polluants, les équilibres acido-basiques et de complexation en solution, ainsi que l'énergétique des réactions couplées dans le métabolisme.

History

Gibbs a introduit le potentiel chimique dans les années 1870 ; van't Hoff a relié la constante d'équilibre à la thermodynamique par son isochore dans les années 1880, et Lewis a ensuite introduit l'activité et la fugacité pour étendre rigoureusement le traitement aux solutions et gaz réels, non idéaux.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Jacobus Henricus van't Hoff
• Gilbert N. Lewis

Seminal works

• atkins2018
• levine2009

Frequently asked questions

Pourquoi l'activité est-elle utilisée à la place de la concentration dans les expressions d'équilibre ?

Dans les solutions et les gaz non idéaux, les molécules interagissent de telle sorte que la disponibilité effective diffère de la concentration ou de la pression nominale ; l'activité est la grandeur corrigée thermodynamiquement qui restaure la forme simple de la constante d'équilibre pour les systèmes réels.

Un catalyseur modifie-t-il la position de l'équilibre ?

Non. Un catalyseur accélère l'approche de l'équilibre en abaissant la barrière d'activation de manière égale dans les deux sens, mais il ne modifie pas la constante d'équilibre ni la composition finale à l'équilibre, car celles-ci sont déterminées par la thermodynamique, et non par la cinétique.