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.

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 : 

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 (), 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Voici la réaction du méthane () avec le dioxygène : 

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 ().

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 () des réactifs et des produits en mesurant la quantité de chaleur absorbée ou libérée par la réaction.

Lorsque les produits ont une enthalpie plus basse que les réactifs, le signe de est négatif, indiquant que la réaction globale entraîne la libération d’énergie du système vers l’environnement : 

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

Lorsque l’énergie est libérée par la réaction, la variation de l’enthalpie peut être incluse dans l’équation chimique en tant que produit : 

Lorsque les produits ont une enthalpie plus élevée que les réactifs, le signe de sera positif, indiquant que la réaction nécessite une augmentation nette d’énergie : 

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

Lorsque l’énergie est absorbée par la réaction, la variation de l’enthalpie peut être incluse dans l’équation chimique en tant que réactif : 

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 : 

Nous savons que 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 (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 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 : 

Puisque deux moles d’eau apparaissent dans cette équation, on peut s’attendre à ce que l’énergie libérée soit deux fois plus grande : 

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 , l’hydrogène se trouve déjà sous forme de et l’oxygène sous forme de . 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 est connu comme l’état standard. Pour des éléments comme le carbone qui ont plusieurs allotropes à 1 bar et , un seul allotrope est choisi comme état standard.