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Fiche explicative de la leçon : Variations d'énergie lors des réactions Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier les types d’énergie et à relier les variations d’énergie aux liaisons et aux réactions chimiques.

L’énergie est une grandeur qui existe sous de nombreuses formes. Nous pouvons facilement reconnaître l’énergie cinétique, l’énergie d’un objet en mouvement, mais il y a d’autres formes d’énergie qui sont moins reconnaissables car elles sont détenues par un objet. Ce type d’énergie stockée est généralement défini comme énergie potentielle, l’énergie détenue par un objet en raison de sa position par rapport aux autres objets. Un type important d’énergie potentielle est l’énergie chimique, très importante lorsque l’on tient compte des variations d’énergie dans les réactions chimiques. Certaines formes d’énergie sont répertoriées dans le tableau ci-dessous.

Il y a beaucoup de formes d’énergie, et une forme d’énergie peut être transformée en une autre forme. Par exemple, une balle au sommet d’une colline a de l’énergie potentielle. Lorsque la balle roule vers le bas de la colline, l’énergie potentielle se transforme en énergie cinétique (de mouvement), énergie thermique (échauffement de la balle, du sol et de l’air par frottement) et énergie sonore. Tout au long de la transformation de l’énergie, la quantité totale d’énergie doit rester la même. Ceci est résumé par la loi de conservation de l’énergie, qui affirme que la quantité totale d’énergie dans l’univers est supposée constante. Ainsi, l’énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transformée d’une forme à une autre.

Loi : La loi de conservation de l’énergie

La loi de conservation de l’énergie affirme que l’énergie ne peut être ni créée, ni détruite;elle n’est que transformée d’une forme à une autre.

Tous les types d’énergie peuvent être mesurés en joule (J). Pour référence, il faut 4,184 joules d’énergie pour élever la température d’un millilitre d’eau de un degré Celsius. On peut aussi mesurer l’énergie en utilisant les kilojoules (kJ), les calories (cal), ou les kilocalories (kcal ou Cal). Les joules peuvent être convertis en une de ces unités en utilisant les facteurs de conversion suivants:1000=1,4,184=1,4184=1.JkJJcalJkcal

Les types d’énergie présentant un intérêt particulier pour les chimistes sont l’énergie chimique, l’énergie thermique et l’énergie rayonnante;dans certaines sources, vous allez trouver que l’énergie rayonnante est appelée énergie lumineuse. L’énergie potentielle chimique est souvent considérée comme l’énergie stockée dans une liaison chimique. Cependant, les atomes qui ne sont pas liés ont eux aussi une énergie potentielle chimique. L’énergie potentielle chimique est due à la position relative des particules et à leurs attractions électrostatiques.

Dans une molécule d’hydrogène (H2), il existe une combinaison de forces d’attraction et de répulsion entre les protons et les électrons des deux atomes.

Lorsque les forces sont équilibrées, les atomes sont à une distance donnée les uns des autres. À cette distance, l’énergie chimique potentielle de la molécule d’hydrogène est la plus basse possible. Pour séparer les atomes, la force d’attraction doit être vaincue en fournissant à la molécule plus d’énergie, généralement à partir des formes d’énergie thermique ou d’énergie rayonnante. Lors du chauffage ou de l’utilisation de l’énergie rayonnante, par exemple sous la forme de lumière UV, pour séparer des atomes, de l’énergie supplémentaire est transformée en énergie potentielle chimique. Ainsi, lorsque les atomes sont séparés, ils ont une énergie potentielle chimique plus élevée que lorsqu’ils sont liés.

Si les atomes se recombinent pour former une liaison, l’énergie potentielle chimique diminue. L’énergie potentielle chimique supplémentaire doit être transformée en d’autres formes d’énergie par la chaleur, la lumière ou le son. Par conséquent, la rupture d’une liaison nécessite toujours de l’énergie et la formation d’une liaison libère toujours de l’énergie.

Les atomes, les molécules et les particules qui ne se trouvent pas au zéro absolu, sont en mouvement. Cela signifie que chacun a de l’énergie cinétique. L’énergie thermique d’une substance est la somme de toutes les énergies cinétiques des particules dans la substance. Lorsque nous mesurons la température d’une substance, nous mesurons l’énergie cinétique moyenne des particules. Il est important de reconnaître que l’énergie thermique d’une substance n’indique pas à quel point la substance est chaude ou froide, et que la température n’indique pas l’énergie thermique totale d’une substance.

Par exemple, une tasse d’eau bouillante a une température plus élevée qu’une piscine car, en moyenne, les molécules dans la tasse se déplacent plus vite que les molécules dans la piscine. Cependant, la piscine a une plus grande quantité d’énergie thermique. En effet, la piscine contient plus de molécules. Ainsi, la somme des énergies cinétiques dans la piscine est supérieure à celle de la tasse d’eau bouillante.

Le terme chaleur est souvent utilisé de manière interchangeable avec celui d’énergie thermique;cependant, la chaleur se réfère spécifiquement à l’énergie qui a été transférée d’une substance avec une énergie cinétique moyenne plus élevée (température plus élevée) à une substance avec une énergie cinétique moyenne plus basse (température plus basse). Un objet avec une température plus élevée réchauffera un objet avec une température plus basse jusqu’à ce que les deux substances aient la même température.

L’énergie rayonnante est l’énergie des photons se déplaçant sous forme d’ondes. Les rayons X, les rayons ultraviolets, les micro-ondes et les rayons gamma ont tous une énergie rayonnante. Lorsque la longueur d’onde du trajet du photon est comprise entre 400 et 700 nanomètres, nous pouvons voir l’énergie rayonnante sous forme de lumière visible.

Exemple 1: Identification des types d’énergie libérés par une réaction

L’oxalate de diphényle, le peroxyde d’hydrogène et la rhodamine B sont mélangés dans un tube en plastique. Après quelques secondes, le tube en plastique commence à être chaud, et le mélange résultant commence à briller d’une couleur rouge vif. Quels types d’énergie sont produits par le mélange?

Réponse

Le tube est chaud à cause de la libération d’énergie thermique. C’est ce qu’on appelle couramment la chaleur. Nous voyons une lueur rouge vif au fur et à mesure de la libération de rayonnement électromagnétique, aussi appelée énergie rayonnante. C’est ce qu’on appelle couramment la lumière. Les types d’énergie libérées par le mélange sont la chaleur et la lumière.

Pour nous aider à garder une trace des conversions d’énergie et des formes d’énergie dans une réaction, il est utile de définir un système et son environnement. Un système est une partie spécifique de l’univers que nous voulons observer, tandis que l’environnement comprend tout ce qui ne fait pas partie du système.

Définition : Système

Un système est la partie spécifique de l’univers que nous souhaitons observer.

Définition : Environnement

L’environnement comprend tout ce qui ne fait pas partie du système.

Dans l’exemple ci-dessous, la solution est définie comme le système. Cela signifie que le bécher, l’air et la surface sur laquelle il se trouve font tous partie de l’environnement.

Lors d’une réaction chimique, on peut considérer toutes les espèces impliquées dans la réaction comme étant le système et tout le reste comme étant l’environnement.

Les systèmes peuvent être ouverts, fermés ou isolés. Un système ouvert permet l’échange de matière et d’énergie avec l’environnement. Un exemple de système ouvert est un bécher.

Définition : Système ouvert

Un système ouvert est un système qui peut échanger de la matière et de l’énergie avec l’environnement.

Un système fermé ne permet que l’échange de l’énergie, mais pas de la matière. Un exemple de système fermé est un erlenmeyer avec un bouchon.

Définition : Système fermé

Un système fermé est un système qui n’échange pas de matière mais peut échanger de l’énergie avec son environnement.

Un système isolé ne permet pas l’échange de la matière ni d’énergie. Un récipient isolé est une approximation de système isolé;cependant, les systèmes véritablement isolés ne sont que théoriques.

Définition : Système isolé

Un système isolé est un système qui ne permet pas l’échange de matière ou d’énergie avec son environnement.

Lors d’une réaction chimique, de l’énergie peut être gagnée et/ou perdue par le système sous forme de chaleur, de lumière et/ou de son. Puisque la quantité totale d’énergie dans l’univers doit rester constante, la quantité d’énergie perdue par le système doit être gagnée par l’environnement et inversement.

Exemple 2: Identification de l’espace qui échange de l’énergie thermique avec un système

L’espace dans lequel une réaction chimique a lieu est appelé système. Quel est le nom de l’espace où l’énergie thermique est absorbée ou libérée?

Réponse

L’énergie ne peut être ni créée, ni détruite. Lorsque nous disons qu’un système gagne de l’énergie thermique, cette énergie doit provenir d’une autre source. De même, lorsqu’un système perd de l’énergie, l’énergie n’est pas détruite, mais est transférée vers un autre espace. Nous appelons cet autre espace environnement.

Voici la réaction du méthane (CH4) avec le dioxygène:CH()+2O()CO()+2HO()4222gggg

Le méthane et le dioxygène ont une énergie potentielle chimique due à la position relative des atomes dans les molécules et une énergie thermique due au mouvement aléatoire des molécules. La somme de l’énergie potentielle chimique et de l’énergie thermique du méthane et du dioxygène est l’énergie interne totale du système. C’est ce qu’on appelle l’enthalpie (𝐻).

Définition : L’enthalpie (𝐻)

L’enthalpie (𝐻) est l’énergie interne totale d’un système.

La séparation des atomes d’une molécule de méthane ou dioxygène nécessite de l’énergie. Cette énergie peut être fournie en chauffant le système. Une partie de l’énergie thermique fournie est convertie en énergie potentielle chimique lorsque les liaisons sont rompues.

Une fois que les atomes se sont séparés, ils se recombinent rapidement pour former les produits qui ont une énergie potentielle chimique inférieure à celle des atomes séparés. Une diminution de l’énergie potentielle chimique du système correspond directement à une augmentation de l’énergie de l’environnement, le plus souvent sous forme de chaleur et/ou de lumière.

Lorsque nous suivons une réaction chimique, nous ne pouvons ni mesurer l’énergie nécessaire pour rompre les liaisons ni l’énergie libérée lors de la formation des liaisons. Cependant, nous pouvons mesurer la variation nette de l’enthalpie (Δ𝐻) des réactifs et des produits en mesurant la quantité de chaleur absorbée ou libérée par la réaction.

Exemple 3: Description de la conservation de l’énergie dans une réaction chimique

Laquelle de ces affirmations ne décrit pas la conservation de l’énergie dans une réaction chimique?

  1. L’énergie n’est ni créée, ni détruite lors d’une réaction chimique.
  2. L’énergie contenue dans les liaisons des molécules des réactifs est toujours égale à l’énergie contenue dans les liaisons des molécules des produits.
  3. Si l’énergie d’un système augmente, l’énergie de l’environnement diminue par la même quantité.
  4. L’énergie ne peut être transformée que d’une forme en une autre.
  5. Si l’énergie d’un système diminue, l’énergie de l’environnement augmente par la même quantité.

Réponse

Selon la loi de conservation de l’énergie, la quantité totale d’énergie dans l’univers est constante. Cela signifie que l’énergie ne peut être ni créée, ni détruite. Cependant, l’énergie peut être transformée d’une forme d’énergie en une autre. Ainsi, les réponses A et D sont des affirmations vraies.

Pour suivre l’échange d’énergie, nous pouvons définir un système et son environnement. Un système est une partie particulière de l’univers que nous souhaitons observer et l’environnement constitue le reste de l’univers.

Lors d’une réaction chimique, nous définissons le système comme étant les espèces impliquées dans la réaction. Si la réaction libère de l’énergie, le système perd de l’énergie dans l’environnement. Si la réaction absorbe de l’énergie, le système gagne de l’énergie provenant de l’environnement.

Comme l’énergie ne peut être ni créée, ni détruite, la quantité d’énergie gagnée par un système doit être égale à la quantité d’énergie perdue par l’environnement, et inversement. Ainsi, les réponses C et E sont des affirmations vraies.

Cela signifie que la réponse B doit être fausse. L’énergie contenue dans les liaisons des réactifs ne doit pas nécessairement être égale à l’énergie contenue dans les liaisons des produits. La différence d’énergie représente l’énergie gagnée ou perdue par le système pendant la réaction. L’affirmation qui ne décrit pas la conservation de l’énergie dans une réaction chimique est l’affirmation de la réponse B.

Lorsque les produits ont une enthalpie plus basse que les réactifs, le signe de Δ𝐻 est négatif, indiquant que la réaction globale entraîne la libération d’énergie du système vers l’environnement:CH()+2O()CO()+2HO()kJmol4222ggggΔ𝐻=891/

Les réactions qui entraînent un dégagement net d’énergie sont exothermiques.

Définition : Processus exothermique

Un processus exothermique est un processus qui libère de l’énergie dans son environnement.

Lorsque l’énergie est libérée par la réaction, la variation de l’enthalpie peut être incluse dans l’équation chimique en tant que produit:CH()+2O()CO()+2HO()+kJ4222gggg891

Lorsque les produits ont une enthalpie plus élevée que les réactifs, le signe de Δ𝐻 sera positif, indiquant que la réaction nécessite une augmentation nette d’énergie:2NH()N()+3H()kJmol322gggΔ𝐻=+92/

Les réactions nécessitant une augmentation nette de leur énergie sont endothermiques.

Définition : Processus endothermique

Un processus endothermique est un processus qui absorbe de l’énergie de son environnement.

Lorsque l’énergie est absorbée par la réaction, la variation de l’enthalpie peut être incluse dans l’équation chimique en tant que réactif:92kJ+2NH()N()+3H()322ggg

Exemple 4: Comprendre une équation thermochimique

L’équation chimique de la décomposition du carbonate de magnésium est la suivante:MgCO()kJMgO()+CO()32ssg+117

Sur la base de cette équation chimique, laquelle des affirmations suivantes est vraie?

  1. Une énergie de 117 kJ est libérée quand une seule molécule de MgCO3 se décompose.
  2. Une énergie de 117 kJ est nécessaire pour décomposer 1 mole de MgCO3.
  3. Une énergie de 117 kJ est nécessaire pour décomposer 42 g de MgCO3.
  4. Une énergie de 117 kJ est nécessaire pour décomposer une seule molécule de MgCO3.
  5. Une énergie de 117 kJ est libérée lorsque 1 mole de MgCO3 se décompose.

Réponse

Les 117 kJ inclus dans l’équation représentent la variation nette de l’énergie au cours de la réaction. Comme l’énergie montrée en tant que réactif, nous savons que 117 kJ doivent être fournis à la réaction. On peut donc éliminer les réponses A et E.

La quantité d’énergie indiquée est particulière au nombre de moles de réactifs et de produits de l’équation chimique. On pourrait lire cette équation chimique comme suit:une mole de carbonate de magnésium se décompose en une mole d’oxyde de magnésium et une mole dioxyde de carbone dès lors qu’on fournit une énergie de 117 kJ à la réaction. Par conséquent, la réponse correcte est B.

Exemple 5: Calcul de la quantité d’énergie libérée par la combustion du glucose

L’équation chimique de la combustion du glucose est la suivante:CHO()+6O()6CO()+6HO()kJ6126222sggl+2808

Quelle quantité d’énergie est libérée lors du brûlage de 2,5 moles de glucose?

Réponse

La formule chimique du glucose est CHO6126. On peut voir à partir de l’équation qu’une mole de glucose réagit avec six moles d’oxygène pour produire six moles de dioxyde de carbone et six moles d’eau. Ce processus libère une énergie de 2‎ ‎808 kJ. Ainsi, on peut dire qu’une énergie de 2‎ ‎808 kJ est produite par mole de glucose. Pour déterminer la quantité d’énergie libérée par 2,5 moles de glucose, nous pouvons effectuer le calcul suivant:28081×2,5=7020.kJmolCHOmolCHOkJ61266126

La quantité d’énergie libérée lors du brûlage de 2,5 moles de glucose, est de 7‎ ‎020 kJ.

On trouve souvent des tables dans les livres qui répertorient les variations de l’enthalpie pour diverses substances. Par exemple, nous pouvons trouver les informations suivantes:

Composé (état)Δ𝐻 (kJ/mol )
H()2g0
HO()2g242
O()2g0

Nous savons que Δ𝐻 indique la variation de l’enthalpie au cours d’une réaction. Le symbole de Plimsoll, , indique que la réaction a été réalisée dans des conditions standard. La pression standard est de 1 bar, parfois donnée sous la forme 1 atm, la concentration standard des solutés étant de 1 mol/L. En outre, la température est généralement indiquée comme étant de 25C (298,15 K).

Il est important d’indiquer les conditions dans lesquelles la réaction est effectuée car la pression, la concentration, la température et l’état de la matière peuvent tous influer sur la variation de l’enthalpie. L’indice f signifie formation. Cela signifie que la variation de l’enthalpie est liée à la formation de la substance à partir des atomes qui la composent.

Il est également important de noter que l’enthalpie est donnée en kilojoules par mole. Cela signifie qu’une mole d’eau produite par la réaction de l’hydrogène et de l’oxygène, va libérer une énergie de 242 kJ. Cela correspond à l’équation de la réaction H()+O()HO()222ggg12 où on obtient une seule mole d’eau. Cependant, nous n’écrivons généralement pas d’équations chimiques avec des fractions et il est bien plus probable que nous observions la réaction suivante:2H()+O()2HO()222ggg

Puisque deux moles d’eau apparaissent dans cette équation, on peut s’attendre à ce que l’énergie libérée soit deux fois plus grande:2×242=484.kJkJ

Nous voyons également dans le tableau que l’hydrogène et l’oxygène ont une enthalpie de formation standard qui vaut zéro. Cela est dû au fait que, à 1 bar et 25C, l’hydrogène se trouve déjà sous forme de H2 et l’oxygène sous forme de O2. Ces molécules ont une enthalpie, mais comme elles existent déjà sous la forme souhaitée, il n’y aura aucune variation d’enthalpie. L’état naturel d’un élément à 1 bar et 25C est connu comme l’état standard. Pour des éléments comme le carbone qui ont plusieurs allotropes à 1 bar et 25C, un seul allotrope est choisi comme état standard.

Points Clés

  • L’énergie ne peut être ni créée, ni détruite, mais seulement transformée entre différentes formes.
  • L’énergie perdue par un système doit être gagnée par l’environnement et vice versa.
  • La rupture des liaisons nécessite une augmentation de l’énergie tandis que la formation des liaisons s’accompagne d’une libération d’énergie.
  • La différence entre l’énergie des réactifs et des produits d’une réaction est égale à la variation de l’enthalpie.
  • Les conditions standard représentées par sont 1 bar, 1 mol/L et généralement 25C.
  • Les conditions standard impliquent également que les éléments sont dans leur état naturel ou standard à 1 bar et 25C.

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