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Fiche explicative de la leçon : Profils de réaction Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à lire les profils réactionnels (diagrammes énergétiques) et à identifier et décrire les transferts d’énergie impliqués.

Chaque fois qu’une réaction chimique se produit, des variations d’énergie y sont associées. En conséquence, les réactifs et les produits peuvent avoir une quantité d’énergie différente.

Dans toute réaction chimique endothermique, l’énergie potentielle des molécules de produit est toujours supérieure à l’énergie potentielle des molécules de réactif. Les réactions chimiques endothermiques absorbent l’énergie thermique, et provoquent généralement une diminution légère ou significative de la température de l’environnement.

Définition : Réaction endothermique

Une réaction endothermique est une réaction chimique dans laquelle l’énergie est absorbée de l’environnement par les composés chimiques réagissants.

Dans toute réaction chimique exothermique, l’énergie potentielle des molécules de produit est toujours inférieure à l’énergie potentielle des molécules de réactif. Les réactions chimiques exothermiques libèrent de l’énergie thermique et provoquent généralement une augmentation légère ou significative de la température de l’environnement.

Définition : Réaction exothermique

Une réaction exothermique est une réaction chimique dans laquelle de l’énergie est libérée dans l’environnement par les composés chimiques réagissant.

Les chimistes peuvent utiliser des diagrammes énergétiques très simples pour montrer comment l’énergie potentielle totale varie lorsque les réactifs se transforment en produits au cours d’une réaction chimique. Un exemple de diagramme énergétique est illustré ci-dessous.

L’axe des 𝑦 d’un diagramme énergétique représente l’énergie potentielle de la substance. L’énergie potentielle de la substance est une somme des différentes énergies stockées dans la substance chimique, bien qu’elle soit souvent simplement appelée énergie potentielle. L’énergie potentielle des réactifs et des produits peut être exprimée par des nombres et des unités telles que des kilojoules par mole ( kJ/mol). Cependant, il est parfois approprié de montrer des diagrammes énergétiques sans aucune unité.

L’axe des 𝑥 représente la coordonnée de la réaction, ou la progression de la réaction des réactifs aux produits. Des unités ne sont généralement pas utilisées pour l’axe des 𝑥, car elle ne représente ni le temps, ni aucune autre grandeur physique habituelle.

Les diagrammes énergétiques peuvent être utilisés pour montrer comment l’énergie potentielle totale a évolué au cours d’une réaction chimique, et pour montrer si la réaction est endothermique ou exothermique.

Le diagramme énergétique suivant montre l’énergie potentielle des réactifs et des produits lors d’une réaction endothermique simple.

Le diagramme montre que le système absorbe l’énergie thermique lorsque la réaction se produit et que les molécules de réactif sont transformées en molécules du produit. Le processus d’absorption de l’énergie est représenté par la flèche verte qui s’étire de la ligne des réactifs à la ligne des produits. La différence d’énergie entre les produits et les réactifs est appelée variation d’enthalpie et porte le symbole Δ𝐻:Δ𝐻=.énergiedesproduitsénergiedesréactifs

Définition : Variation d’enthalpie (𝚫𝐻)

La variation d’enthalpie est la différence d’énergie entre l’énergie des produits et celle des réactifs.

Les produits sont moins stables que les réactifs car ils ont plus d’énergie, et ils ont donc une plus grande capacité de réaction avec une autre substance. Les produits sont plus réactifs que les réactifs.

Nous pouvons également construire un diagramme énergétique pour une réaction exothermique.

Ici, l’énergie des réactifs est supérieure à l’énergie des produits. La flèche vers le bas nous montre que l’énergie est libérée par les molécules de réactif lorsqu’elles réagissent entre elles et forment des molécules de produit. Les produits sont plus stables que les réactifs car ils ont moins d’énergie, et ils ont par conséquent une capacité de réaction moindre avec une autre substance. Les réactifs sont plus réactifs que les produits.

Considérons le diagramme énergétique pour des réactions exothermiques et endothermiques réelles.

La réaction du dihydrogène gazeux avec du dioxygène gazeux pour produire de l’eau est une réaction exothermique produisant une énergie de 285,8 kJ/mol de dihydrogène gazeux. L’équation chimique de cette réaction peut être écrite comme H()+O()HO()kJmol222ggl12+285,8/

En utilisant cette information, le diagramme énergétique suivant peut être construit.

À partir de l’équation et du diagramme énergétique, nous pouvons conclure que pendant la réaction, l’énergie est transférée du système vers l’environnement. En conséquence, la température du système diminue et la température de l’environnement augmente.

Le diagramme énergétique montre également que l’enthalpie des produits est inférieure à celle des réactifs. Cependant, la loi de conservation de l’énergie stipule que nous devons tenir compte de la différence d’énergie entre les réactifs et les produits, et donc la réaction libère de l’énergie dans l’environnement. Enfin, nous pouvons déterminer que la variation d’enthalpie (Δ𝐻) est négative.

La décomposition thermique du carbonate de magnésium en oxyde de magnésium et en dioxyde de carbone est une réaction endothermique, nécessitant une énergie de 117,3 kJ/mol de carbonate de magnésium. L’équation chimique de cette réaction peut être écrite comme MgCO()kJmolMgO()+CO()32ssg+117,3/

En utilisant cette information, le diagramme énergétique suivant peut être construit.

À partir de l’équation et du diagramme énergétique, nous pouvons conclure que pendant la réaction, l’énergie est transférée de l’environnement au système. En conséquence, le système absorbe de l’énergie et l’environnement perd de l’énergie.

Le diagramme énergétique montre également que l’enthalpie des produits est supérieure à l’enthalpie des réactifs, et que la réaction nécessite donc absorber de l’énergie. Enfin, nous pouvons déterminer que la variation d’enthalpie (Δ𝐻) est positive.

Exemple 1: Comprendre un diagramme énergétique

Les énergies chimiques de trois composés, a, b et c, sont indiquées sur la figure ci-dessous.

  1. Lequel des composés a l’énergie la plus élevée?
  2. Lequel des composés a l’énergie la plus faible?
  3. Lequel des composés est le plus stable?
  4. Lequel des composés est le moins stable?

Réponse

Partie 1

L’axe des 𝑦 d’un diagramme énergétique indique le niveau, ou la quantité, d’énergie potentielle stockée dans un composé. Différentes substances ont une quantité d’énergie potentielle différente. Ces quantités d’énergie peuvent être tracées sur un diagramme énergétique ou sur des graphiques plus complexes appelés profils réactionnels. Parmi les trois composés a, b et c, celui avec la plus grande la valeur énergétique sur l’axe des 𝑦 est le composée b. Donc, la bonne réponse est b.

Partie 2

Le composé avec la plus petite valeur énergétique sur l’axe des 𝑦 est le composé a. La bonne réponse est a.

Partie 3

Plus l’énergie d’un composé est faible, plus il est stable. Lorsqu’un composé a moins d’énergie, il est moins susceptible de réagir avec une autre substance. Il a une grande stabilité et une faible réactivité. Le composé avec l’énergie la plus faible est le composé a, de sorte que le composé a est le plus stable. La bonne réponse est a.

Partie 4

Plus l’énergie d’un composé est élevée, moins il est stable. Lorsqu’un composé a une grande quantité d’énergie, il est plus capable de réagir avec une autre substance, et donc il a une faible stabilité - il est plus réactif. Le composé avec l’énergie la plus élevée est le composé b, de sorte que le composé b est le moins stable. La bonne réponse est b.

Les diagrammes énergétiques sont des illustrations simplifiées qui nous montrent seulement l’énergie initiale et finale des substances pendant une réaction. Comme ils ne fournissent aucune autre information, les chimistes utilisent souvent à la place des profils réactionnels. Un profil réactionnel est un diagramme énergétique plus détaillé qui représente l’énergie des substances à différentes étapes au cours d’une réaction chimique.

Définition : Profil réactionnel

Un profil réactionnel est un diagramme énergétique représentant les variations d’énergie à différentes étapes d’une réaction.

Les étapes d’une réaction comprennent l’énergie des réactifs et des produits, et la voie énergétique du complexe activé. Le complexe activé, ou état de transition, est un arrangement d’atomes de haute énergie, où des liaisons chimiques dans les réactifs sont rompues et de nouvelles liaisons se forment. Cette rupture des anciennes liaisons et la formation de nouvelles liaisons peuvent souvent se produire simultanément.

Définition : Complexe activé (état de transition)

Un complexe activé est une structure chimique de haute énergie où des liaisons chimiques dans les réactifs sont rompues et de nouvelles liaisons se forment.

Le complexe activé n’existe que pour une durée très courte. Pour que les particules de réactif forment un complexe activé, elles doivent d’abord absorber une quantité minimale d’énergie. Cette quantité minimale d’énergie requise pour que les particules de réactif entrent en collision et réagissent entre-elles est appelée énergie d’activation (𝐸)a.

Définition : Énergie d’activation (𝐸a)

L’énergie d’activation est la quantité minimale d’énergie nécessaire aux particules de réactif pour entrer en collision et réagir entre-elles.

Les réactions endothermiques et exothermiques nécessitent toutes deux de l’énergie d’activation. Ceci est une augmentation initiale de l’énergie pour démarrer la réaction. Si l’énergie fournie est inférieure à l’énergie d’activation, alors l’énergie est insuffisante pour démarrer la réaction. Les particules peuvent éventuellement entrer en collision, mais aucune réaction ne se produira.

Pensez à une allumette. Lorsqu’elle brûle, la réaction libère de l’énergie et est donc exothermique. Cependant, la plupart des allumettes de sécurité modernes ne brûlent pas spontanément. Une quantité minimale d’énergie doit d’abord être absorbée par le système (les produits chimiques dans la tête d’allumette) pour que la réaction démarre. Cette quantité minimale d’énergie est fournie lorsque nous heurtons une allumette contre une surface rugueuse.

allumette–allumée–en–frottant–extrémité

Regardons le profil réactionnel de la réaction entre le carbone et le dioxygène gazeux qui produit du dioxyde de carbone gazeux:C()+O()CO()+énergiesgg22

Premièrement, on peut voir que la réaction est exothermique car l’énergie du produit, CO()2g, est inférieure à l’énergie des réactifs. Il y a quelques informations supplémentaires sur ce graphique. On peut voir une « bosse » sur le diagramme commençant au niveau énergétique des réactifs et se terminant au niveau énergétique des produits. La flèche orange représente l’énergie d’activation, ou la quantité d’énergie nécessaire pour rompre les liaisons covalentes qui maintiennent les molécules de réactif ensemble. La différence d’énergie entre les réactifs et les produits est appelée la variation d’enthalpie, ou Δ𝐻.

Une manière de réduire l’énergie d’activation de cette réaction serait d’utiliser un catalyseur. En effet, les catalyseurs agissent en abaissant l’énergie d’activation nécessaire pour qu’une réaction se produise et, de cette manière, les catalyseurs peuvent accélérer une réaction. Les catalyseurs ne participent pas aux réactions chimiques et ne subissent pas eux-mêmes de modifications chimiques.

Définition : Catalyseur

Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d’une réaction chimique, sans être modifiée chimiquement, en abaissant l’énergie d’activation nécessaire pour que la réaction se produise.

L’énergie du complexe activé (ou de l’état de transition) est égale à la valeur maximale correspondant à la « bosse » de l’énergie sur le profil réactionnel. Le complexe activé a l’énergie la plus élevée de toutes les substances dans un système réactionnel.

Exemple 2: Identifiez quelle partie d’un profil réactionnel correspond à l’énergie d’activation

Le profil réactionnel d’une réaction chimique est présenté ci-dessous. Quelle légende correspond à l’énergie d’activation?

Réponse

L’énergie d’activation est la quantité minimale d’énergie nécessaire pour que les réactifs entrent en collision et réagissent les uns avec les autres. Donc, que la réaction soit endothermique ou exothermique, les réactifs doivent initialement absorber suffisamment d’énergie pour réagir. L’énergie d’activation sur un profil réactionnel est l’augmentation d’énergie initiale des réactifs. Ceci correspond à A.

Regardons le profil réactionnel de la réaction endothermique entre le diazote gazeux et le dioxygène gazeux:N()+O()+énergie2NO()22ggg

La réaction entre les molécules de diazote et de dioxygène ne se produit pas spontanément car la barrière d’énergie d’activation est relativement grande. Les molécules de diazote et de dioxygène ne peuvent réagir que si le système chimique absorbe suffisamment d’énergie pour surmonter la grande barrière d’énergie d’activation.

Cette réaction est endothermique car l’énergie du produit, NO()g, est supérieure à l’énergie des molécules de réactif. L’énergie est absorbée par les réactifs pour former les produits et Δ𝐻 est donc positive. La flèche orange représente la grande énergie d’activation.

Exemple 3: Sélectionnez le bon profil réactionnel à partir des informations données sur une réaction

Une réaction chimique a une enthalpie de réaction molaire (Δ𝐻) de 80/kJmol et une énergie d’activation de 25 kJ/mol. Lequel des profils de réaction suivants représente cette réaction?

Réponse

On nous dit que la variation d’enthalpie de la réaction est de 80/kJmol. Comme Δ𝐻 est négatif, nous savons que la réaction est exothermique. Seules les options B et C représentent des réactions exothermiques où l’énergie des produits est inférieure à celle des réactifs. Donc, nous pouvons éliminer A et D.

Nous pouvons comparer les profils réactionnel B et C. On peut voir que pour l’option C, la distance verticale entre les niveaux d’énergie des réactifs et des produits (Δ𝐻) est presque la même que la distance verticale entre le niveau d’énergie du réactif et le sommet de la courbe où se trouve le complexe activé, en d’autres termes, l’énergie d’activation. Mais ceci n’est pas le cas pour B.

En d’autres termes, dans le profil réactionnel C, Δ𝐻 est approximativement égale à l’énergie d’activation 𝐸a. Donc, nous pouvons éliminer l’option C car nous savons que Δ𝐻=80/kJmol et 𝐸=25/akJmol;Δ𝐻 et 𝐸a ne sont pas égales. Lorsque nous regardons l’option de réponse B, nous pouvons voir que 𝐸a correspond à environ un tiers de la hauteur de Δ𝐻.

Donc, la bonne réponse est B.

Exemple 4: Interprétez un profil réactionnel

Le profil réactionnel ci-dessous montre que le graphite est plus stable que le diamant. De plus, la conversion du diamant en graphite est très difficile. Laquelle des affirmations suivantes explique pourquoi?

  1. Le diamant ne conduit pas l’électricité.
  2. L’énergie nécessaire pour rompre les liaisons covalentes entre les atomes de carbone est faible.
  3. La réaction est exothermique, et non endothermique.
  4. La différence d’énergie entre le diamant et le graphite est très faible.
  5. L’énergie d’activation pour la conversion du diamant en graphite est très élevée.

Réponse

Dans la question, on nous dit que le graphite est plus stable que le diamant. Le profil réactionnel indique que la conversion du diamant en graphite est un processus exothermique. L’énergie est libérée lorsque des liaisons se rompent et se forment lors de la conversion du diamant en graphite. Nous pouvons en déduire que cette réaction est exothermique, car l’énergie relative du réactif (le diamant) est supérieure à celle du produit (le graphite). L’affirmation C, « la réaction est exothermique, pas endothermique », est une affirmation exacte pour cette réaction, mais ne répond pas complètement à la question.

Bien que les énergies du diamant et du graphite ne soient pas très différentes (leurs niveaux d’énergié sur le profil réactionnel sont relativement proches l’une de l’autre), la « bosse » de l’énergie d’activation nécessaire pour amener le diamant à réagir et à être transformé en graphite est relativement importante. Cela nous indique qu’il faut beaucoup d’énergie pour convertir le diamant en graphite. Donc, bien que l’affirmation D, « la différence d’énergie entre le diamant et le graphite est très faible », soit également une bonne description de ce profil réactionnel, ce n’est pas la raison pour laquelle il est si difficile de convertir le diamant en graphite. La raison pour laquelle ceci est si difficile est la très grande quantité d’énergie d’activation qui est nécessaire pour que cette réaction se produise. Donc, la réponse correcte est la E:« l’énergie d’activation pour la conversion du diamant en graphite est très élevée ».

Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative sur les profils réactionnels.

Points clés

  • Un profil réactionnel montre la quantité d’énergie à différentes étapes d’une réaction.
  • Un profil réactionnel endothermique typique est donné ci-dessous.
  • Un profil réactionnel exothermique typique est donné ci-dessous.
  • Une substance de haute énergie a une faible stabilité, et une substance de faible énergie a une grande stabilité.
  • Un complexe activé est un état de haute énergie de structures chimiques où des liaisons chimiques dans les réactifs sont rompues et de nouvelles liaisons se forment.
  • L’énergie d’activation (𝐸)a est la quantité minimale d’énergie nécessaire aux réactifs pour entrer en collision et réagir.
  • La variation d’enthalpie (Δ𝐻) est la différence d’énergie entre les produits et les réactifs.

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