Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les réactions exothermiques et endothermiques et examiner les transferts d’énergie impliqués.
La réaction chimique la plus simple possible est la formation d’une liaison simple entre deux atomes d’hydrogène :
En règle générale, un atome d’hydrogène possède un seul proton et aucun neutron dans son noyau, et un électron dans le nuage d’électrons. Lorsque des atomes d’hydrogène se rapprochent, l’électron d’un atome d'hydrogène est attiré par le noyau de l’autre. Lorsqu’ils sont suffisamment proches, une liaison covalente se forme ; les deux électrons sont partagés entre les deux noyaux :
L’énergie ne peut être ni créée ni détruite, de sorte que atomes liés entre eux doivent avoir la même énergie totale que les atomes d’hydrogène séparés.
L’énergie potentielle (EP) est convertie en énergie cinétique (EC) à mesure que la liaison se forme, mais la quantité totale d’énergie reste constante :
Toute l’énergie potentielle chimique que les atomes d’hydrogène ont au début se transforme en énergie cinétique, lorsque ces derniers pivotent ou vibrent en tant que molécule. Lorsque cette molécule d’hydrogène excitée de haute énergie entre en collision avec d’autres particules, une partie de cette énergie est perdue et la molécule d’hydrogène devient plus stable :
Globalement, l’énergie potentielle chimique des réactifs se transforme en énergie cinétique, qui est perdue dans l’environnement (généralement sous la forme d’énergie thermique). Prise isolément, une molécule d’hydrogène est plus stable que des atomes d’hydrogène séparés. Donc, de manière générale, nous pouvons dire que la formation de liaison « libère » de l’énergie.
L’inverse de la formation d’une liaison est la dissociation d’une liaison, également appelée rupture de la liaison. Si une autre particule heurte la molécule d’hydrogène avec suffisamment d’énergie, la molécule d’hydrogène peut se briser ; au cours de ce processus, l’énergie cinétique est transformée en énergie potentielle chimique.
La formation de liaison produit une forme d’énergie qui peut être partagée avec d’autres particules ; nous décrivons donc souvent le processus comme libérant de l’énergie. Alors que, la rupture (ou dissociation) d’une liaison nécessite une énergie externe ; nous décrivons donc souvent le processus comme absorbant de l’énergie. Les mots couramment utilisés pour décrire ces processus sont « exothermique » et « endothermique ».
Les deux mots contiennent - thermique car, en général, l’énergie transférée dans les réactions est de l’énergie thermique, que nous appelons communément chaleur. Cette énergie circule des objets chauds vers les objets froids, il est donc tout naturel de penser à l’énergie entrant ou sortant d’un système comme à de l’énergie thermique.
Exo - signifie « out » et endo - signifie « in ». D’après ces mots, il serait logique que exothermique signifie « énergie thermique sortante » et endothermique « énergie thermique entrante ». Cependant, il existe de nombreuses catégories d’énergie, comme la lumière et le son, qui peuvent intervenir dans les réactions. Donc, exothermique signifie « énergie de toute nature sortante » et endothermique signifie « énergie de toute nature entrante ».
L’énergie n’a pas besoin d’être thermique pour être échangée entre le système et l’environnement. Cependant, nous pouvons toujours généralement utiliser les changements d’énergie pour prédire si l’environnement deviendra plus chaud ou plus froid. Si nous voyons l’environnement devenir plus chaud en raison d’une réaction, alors il est presque certain que la réaction est exothermique. Si l’environnement devient plus froid, alors la réaction est probablement endothermique.
La formation d’une liaison est exothermique, et la dissociation d’une liaison est endothermique.
Définition : Réaction exothermique
C’est une réaction qui libère de l’énergie dans son environnement.
Définition : Réaction endothermique
C’est une réaction qui absorbe l’énergie de son environnement.
Exemple 1: Identifiez les problèmes dans les descriptions des réactions exothermiques
Lorsqu’il rapporte une expérience, un élève écrit que « la combustion est une réaction exothermique car l’énergie est produite sous forme de chaleur ».
- Pourquoi cette description n’est-elle pas correcte ?
- Il n’y a pas de changement d’énergie pendant une réaction exothermique.
- La combustion est une réaction endothermique.
- La chaleur n’est pas une forme d’énergie.
- L’énergie ne peut pas être produite.
- Les réactions exothermiques absorbent la chaleur.
- Lequel des énoncés suivants correspond à une description plus exacte d’une réaction de combustion ?
- La combustion est une réaction endothermique car l’énergie est produite sous forme de chaleur.
- La combustion est une réaction exothermique car il n'y a pas de production d'énergie.
- La combustion est une réaction exothermique, car l’énergie chimique est convertie en chaleur.
- La combustion est une réaction exothermique car la chaleur est convertie en énergie chimique.
- La combustion est une réaction endothermique car de l’énergie thermique est libérée.
Réponse
Partie 1
Lors d’une réaction de combustion, une substance réagit avec l’oxygène. Les réactions de combustion libèrent de l’énergie, généralement sous forme de chaleur.
Une réaction est exothermique si plus d’énergie est libérée dans l’environnement qu’elle n’en absorbe ; le résultat le plus courant d’une réaction exothermique est une augmentation de la température dans l’environnement.
À première vue, l’affirmation de l’élève semble correcte puisque la combustion est vraiment une réaction exothermique. Cependant, la partie affirmant que c’est « parce que l’énergie est produite sous forme de chaleur » n’est pas correcte.
Nous savons que l’énergie n’est jamais créée (produite) ou détruite, mais seulement convertie d’une forme à une autre. Par conséquent, une réaction ne peut pas produire d’énergie.
Par conséquent, la réponse est la D.
Partie 2
Nous avons établi que les réactions exothermiques impliquent un transfert global d’énergie vers l’environnement, et que la combustion est une réaction exothermique. Nous avons également établi que l’énergie ne peut pas être produite, mais seulement convertie d’une forme à une autre. Lorsque des substances réagissent avec l’oxygène et brûlent, l’énergie potentielle chimique est convertie en d’autres formes d’énergie, comme la chaleur. En fait, l’énergie thermique constitue généralement la plupart de l’énergie convertie à partir de l’énergie potentielle chimique. C’est pourquoi nous simplifions souvent les descriptions des réactions exothermiques à « un dégagement de chaleur ».
Les réponses A et E indiquent que la combustion est endothermique, elles ne peuvent donc pas être correctes.
La réponse B suggère que l’énergie n’est pas produite par une réaction exothermique ; ceci est vrai, mais c’est également vrai pour toutes les réactions. Aucune réaction ne peut produire de l’énergie. Toute réaction implique la conversion de l’énergie potentielle chimique en d’autres formes d’énergie, ou inversement. La réponse B n’est pas la bonne réponse.
Les réponses C et D décrivent toutes les deux correctement la combustion comme une réaction exothermique, et reconnaissent que l’énergie est convertie d’une forme à une autre ; cependant, seule la réponse C précise correctement que c’est l’énergie potentielle chimique (ou « énergie chimique » pour faire court) qui est convertie en chaleur.
La réponse est la C.
Exemple 2: Identifiez si une réaction entre atomes (la formation d’une molécule) est exothermique ou endothermique
Considérez l’équation de la réaction chimique illustrée ci-dessous :
S’agit-il d’une réaction endothermique ou exothermique ?
Réponse
Les réactifs de cette équation sont des atomes séparés d’hydrogène. Ce n’est pas une réaction typique car nous avons tendance à trouver l’hydrogène pur sous forme de molécules d’hydrogène . Ces atomes se combinent pour former , ce qui signifie qu’une seule liaison covalente maintient les atomes ensemble ; c’est la molécule que nous connaissons.
Aucune liaison n’est rompue, mais des liaisons se forment. La formation de liaisons est un processus exothermique, car la formation de liaisons convertit l’énergie potentielle en d’autres formes d’énergie, comme la chaleur, qui peut être perdue dans l’environnement.
Par conséquent, cette réaction est exothermique.
En règle générale, dans les réactions chimiques, les liaisons dans les réactifs se cassent, et les liaisons dans les produits se forment alors. Nous appelons toutes les substances qui existent entre, « des intermédiaires ». L’énergie totale nécessaire pour rompre les anciennes liaisons est l’énergie qui doit entrer dans le système (), et l’énergie totale que nous obtenons lorsque les nouvelles liaisons se forment est l’énergie qui sort du système (libération d’énergie, ).
Si globalement , de l’énergie a été libérée et la réaction est exothermique. Cependant, si globalement , de l’énergie a été absorbée et la réaction est endothermique.
Lorsque nous parlons de réactions, nous ne nous soucions souvent que des réactifs et des produits, rien d’autre. Nous appelons les réactifs et les produits, « le système ». Nous appelons simplement toute chose autre, « l'environnement ».
Souvent, lorsque nous parlons d’énergie, nous ne parlons en réalité que de l’énergie du système. L’énergie qui entre dans le système augmente l’énergie du système, et l’énergie qui sort du système la diminue. Donc, pour l’énergie « in » (entrante), la variation d’énergie est positive ; pour l’énergie « out » (sortante), la variation d’énergie est négative.
| Si, globalement, | l’énergie du système, | la variation d’énergie est , | et la réaction est . |
|---|---|---|---|
| l’énergie est libérée | diminue | négative | exothermique |
| l’énergie est absorbée | augmente | positive | endothermique |
Nous pouvons aussi parler de l’énergie du système en termes de son enthalpie. Exactement le même principe s’applique lorsque nous parlons de réactions exothermiques et endothermiques. La variation d’enthalpie pour une réaction peut être décrite par la différence entre l’enthalpie des réactifs et celle des produits.
Pour une réaction exothermique, l’enthalpie des produits est inférieure à l’enthalpie des réactifs. En conséquence, la variation d’enthalpie est négative. Cependant, dans une réaction endothermique, l’enthalpie des produits est supérieure à l’enthalpie des réactifs, de sorte que la variation d’enthalpie est positive.
La différence d’enthalpie pour les réactions exothermiques et endothermiques est illustrée sur le diagramme suivant.
Exemple 3: Identifiez les réactions endothermiques et exothermiques à partir des enthalpies de réaction
Une réaction chimique a une enthalpie de réaction de kJ/mol. Est-elle endothermique ou exothermique ?
Réponse
Une enthalpie de réaction est la variation d’enthalpie du système pour une réaction. Une variation positive de l’enthalpie signifie que de l’énergie entre dans le système. Tout ce qui n’est pas le système est l’environnement. Pour que l’énergie entre dans le système, elle doit quitter l’environnement (car il est impossible de créer ou de détruire de l’énergie).
Une réaction endothermique est une réaction dans laquelle l’énergie du milieu (l’environnement) est absorbée par le système. Par conséquent, comme la réaction chimique a une enthalpie de réaction positive, elle est endothermique.
Voici quelques exemples de réactions exothermiques et de processus physiques :
- La combustion du méthane ;
- La congélation ;
- La condensation.
Si, conjointement, les liaisons dans les produits sont plus fortes que les liaisons dans les réactifs, la réaction sera exothermique.
Les changements d’état impliquent également des changements dans la force de liaison. Par exemple, les forces intermoléculaires dans la glace sont plus fortes que les forces intermoléculaires dans l’eau (liquide), de sorte que lorsque l’eau gèle, il y a une libération d’énergie dans l’environnement.
Cependant, si les liaisons dans les produits sont plus faibles que les liaisons dans les réactifs, la réaction sera endothermique.
Voici quelques exemples de réactions endothermiques et de processus physiques :
- La décomposition du carbonate de calcium ;
- La fonte ;
- L’évaporation.
Exemple 4: Comparez le transfert de chaleur dans la combustion et dans la congélation
Lorsque 10 mL d’essence gèle à , la quantité totale de chaleur transférée est d’environ 1 kJ. Cependant, 300 kJ de chaleur sont transférés lorsque le même volume d’essence est brûlé à température ambiante. Pourquoi la combustion produit-elle un transfert de chaleur plus grand que la congélation ?
- La congélation est exothermique, tandis que la combustion est endothermique.
- Les liaisons rompues lors de la combustion sont plus faibles que celles qui sont rompues lors de la congélation.
- Les liaisons formées lors de la combustion sont plus fortes que celles formées lors de la congélation.
- La combustion se produit à une température plus élevée que la congélation.
- La congélation est endothermique, tandis que la combustion est exothermique.
Réponse
Dans cette question, nous comparons deux quantités d’énergie différentes. Les deux réactions sont exothermiques, et donc nous pouvons éliminer les réponses A et E. De plus, s'il est probable que la combustion se produise effectivement à une température plus élevée que la congélation, cela ne nous aide pas à comparer les quantités d'énergie transférées.
Les variations d’énergie qui se produisent lors de réactions chimiques ou de processus physiques, tels que la congélation, se produisent en raison de la différence qui existe entre l’énergie nécessaire pour rompre les liaisons dans les réactifs et l’énergie libérée lorsque de nouvelles liaisons sont formées dans les produits. Si plus d’énergie est libérée lorsque 1 g d’essence sont brûlés, nous savons que les liens formés dans les produits de la combustion sont plus forts que ceux formés lors de la congélation. Et donc, la réponse est la C.
La décomposition du carbonate de calcium est un processus essentiel dans la production de ciment. Ceci nécessite une quantité d’énergie importante. La fonte de la glace ne nécessite pas autant d’énergie que la décomposition du carbonate de calcium, mais il s’agit également d’un processus endothermique.
Exemple 5: Désignez une réaction comme étant endothermique ou exothermique en fonction de l’enthalpie de réaction
La combustion complète du méthanol se déroule selon l’équation
L’enthalpie de réaction est de kJ/mol. La combustion du méthanol est-elle endothermique ou exothermique ?
Réponse
Une réaction exothermique est une réaction qui, dans l’ensemble, libère plus d’énergie qu’elle n’en absorbe. Cela sera généralement sous la forme de chaleur.
L’enthalpie de réaction est négative. Cela signifie que l’énergie du système est plus faible après la réaction qu’avant la réaction. Cela correspondrait à la description d’une réaction exothermique.
La réponse est « exothermique ».
Points clés
- Dans les réactions exothermiques, plus d’énergie est libérée qu’elles n’en absorbent. Cela signifie que l’enthalpie du système diminue et que l’enthalpie des produits est plus faible que celle des réactifs.
- Dans les réactions exothermiques, l’énergie totale du système diminue, la variation d’énergie est négative, la variation d’enthalpie est négative, et généralement l’environnement se réchauffe :
- La formation de liaison est exothermique.
- Dans les réactions endothermiques, plus d’énergie est absorbée que libérée. Cela signifie que l’enthalpie du système augmente et que celle des produits est plus élevée que celle des réactifs.
- Dans les réactions endothermiques, l’énergie totale du système augmente, la variation de l’énergie du système est positive, la variation de l’enthalpie est positive, et généralement l’environnement se refroidit :
- La rupture de la liaison, également appelée dissociation de la liaison, est endothermique.
