Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à réaliser des expériences de calorimétrie et à utiliser les résultats pour calculer la variation d’enthalpie au cours d’une réaction chimique.
La plupart des réactions chimiques, y compris celles qui se produisent dans les organismes vivants, libèrent de l’énergie ou absorbent de l’énergie lorsqu’elles ont lieu. Selon la loi de conservation de l’énergie, les réactions chimiques doivent conduire à la conversion d’énergie d’une forme à une autre. L’énergie est transformée d’un endroit à un autre, et elle n’est ni créée ni détruite.
Loi : La loi de la conservation de l’énergie
La loi de conservation de l’énergie stipule que l’énergie ne peut être créée ou détruite ; elle est seulement transférée.
En thermodynamique, la réaction d’intérêt est contenue dans une zone que nous appelons le système. La zone à l’extérieur du système, où nous effectuons les observations, est appelée l’environnement. Un exemple de cette terminologie est illustré ci-dessous, où une réaction peut avoir lieu à l’intérieur d’un bécher.
Un système ouvert peut échanger de l’énergie et de la matière avec son environnement, un système fermé ne peut échanger que de l’énergie avec son environnement, et un système isolé ne peut échanger ni énergie ni matière avec son environnement. Un système isolé n’interagit pas avec son environnement. Une bouteille thermos scellée qui est isolée thermiquement, mécaniquement et électriquement de son environnement est un exemple de système isolé.
Les réactions chimiques qui transfèrent l’énergie sous forme de chaleur vers l’environnement sont décrites comme des réactions exothermiques. Les réactions de combustion sont des exemples de réactions exothermiques. Lorsqu’une réaction chimique a lieu dans un système qui absorbe de l’énergie sous forme de chaleur provenant de l’environnement, elle est décrite comme une réaction endothermique. Les paquets de glace en gel contenus dans les trousses de premiers secours contiennent des produits chimiques qui produisent une réaction endothermique lorsqu’ils sont mélangés.
La quantité de chaleur qui est transférée entre le système réactionnel et l’environnement peut être mesurée expérimentalement. Pour pouvoir calculer l’énergie transférée dans ces processus, nous devons être en mesure de relier l’énergie transférée à l’intensité du réchauffement ou du refroidissement observée dans l’expérience.
La chaleur est le transfert d’énergie thermique entre des molécules et des atomes dans un système. Ce transfert d’énergie thermique est provoqué par une différence de température. La chaleur et la température sont étroitement liées, mais elles sont fondamentalement différentes. La température est la mesure de l’énergie cinétique moyenne des molécules. Elle peut également être utilisée pour exprimer à quel point une substance est chaude ou froide.
Définition : Température
La température est une mesure de l’énergie cinétique moyenne de la matière dans un système. Elle peut également exprimer à quel point une substance est chaude ou froide.
Lorsqu’une substance est chauffée, de l’énergie est transférée aux molécules et aux atomes à l’intérieur de la substance. L’énergie cinétique de ces atomes et de ces molécules augmente, et la température de la substance augmente. La variation de température dépend de la capacité thermique de la substance. La capacité thermique, , est défini comme où est la quantité d’énergie mesurée en joules et est la variation de température kelvins ou en degrés Celsius. Comme l’unité kelvin, K et l’unité degré Celsius évolue de la même manière, la variation de température sera la même dans les deux cas.
Étant donné que la capacité thermique dépend de la quantité de substance chauffée ou refroidie, elle est connue comme une grandeur extensive. La capacité thermique peut être utilisée comme une grandeur intensive, auquel cas elle est appelée « la capacité thermique spécifique ». La capacité thermique spécifique est définie comme la capacité thermique divisée par la masse de l’échantillon :
La capacité thermique spécifique est mesurée en joules par kelvin par gramme, ou en joules par degré Celsius par gramme. La capacité thermique spécifique est souvent simplement appelée « chaleur spécifique ».
Définition : Capacité thermique spécifique
Également connue sous le nom de chaleur spécifique, il s’agit de la quantité d’énergie, mesurée en joules, nécessaire pour élever la température d’un gramme d’une substance de un degré Celsius.
Certaines valeurs de chaleur spécifique de différentes substances sont données dans le tableau ci-dessous. L’eau liquide a une chaleur spécifique relativement élevée par rapport aux autres substances. Si de l’énergie thermique est fournie à de l’eau liquide de manière constante, cela prendra plus de temps pour la chauffer à une température donnée que la même masse de fer.
| Substance | Aluminium | Carbone (graphite) | Cuivre | Fer | Eau (l) | Eau (g) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Capacité thermique spécifique () | 0,897 | 0,709 | 0,385 | 0,449 | 4,184 | 2,010 |
Si une masse connue d’une substance est chauffée à une pression constante de sorte qu’aucun travail n’est effectué contre l’environnement, la quantité d’énergie thermique gagnée peut être calculée à l’aide de la formule où est l’énergie, mesurée en joules.
La masse de la substance, , est mesurée en grammes. , qui se prononce « delta T », est la variation de température de la substance. peut être calculée en soustrayant la température initiale de la température de finale, et est mesurée à l’aide d’un thermomètre. Numériquement, aura la même valeur, que les températures finale et initiale soient mesurées en degrés Celsius ou en kelvins.
La capacité thermique spécifique, , est officiellement mesurée en . Cependant, il est plus fréquent d’utiliser des grammes à la place, et de donner les unités en .
Exemple 1: Déterminez la bonne formule à utiliser pour calculer la chaleur transférée dans une expérience de calorimétrie
Laquelle des équations suivantes peut être utilisée dans les résultats d’une expérience de calorimétrie pour calculer l’énergie thermique transférée lors d’une réaction chimique ?
Réponse
L’énergie thermique transférée lors d’une réaction chimique est mesurée en joules. Cette quantité est indiquée par le symbole .
La valeur de est obtenue en multipliant entres-elles trois autres quantités. C’est le produit de la masse de la substance lorsque la température change, par la capacité thermique spécifique de la substance, par la variation de température mesurée.
La masse de substance chauffée ou refroidie est désignée par . Elle est mesurée en grammes. La capacité thermique spécifique, ou chaleur spécifique, de la substance est indiquée par . Elle est mesurée en . La variation de température mesurée porte le symbole , qui se prononce « delta T ».
La seule bonne réponse où ces quantités sont correctement multipliées est la C.
Exemple 2: Calculez la chaleur transférée lorsqu’une masse d’eau est chauffée
Dans une expérience, il a été constaté qu’une réaction avait pour résultat que la température de 80 g d’eau variait de . Quelle est la valeur en joules de l’énergie thermique transférée dans cette réaction ? Utilisez une valeur de pour la capacité thermique spécifique de l’eau.
Réponse
Dans cette question, on nous demande de calculer la quantité d’énergie thermique transférée au cours d’une réaction qui provoque pour 80 g d’eau, une variation de température de .
Nous pouvons calculer la quantité d’énergie thermique, , transférée à l’aide de l’équation où est la masse en grammes, est la capacité thermique spécifique en et est la variation de température.
Dans la question, on nous dit que la masse de l’eau est de 80 g, la capacité thermique spécifique de l’eau est de , et la variation de température est de .
La substitution des valeurs dans l’équation nous donne
En analysant les unités, nous pouvons voir que les grammes, g, et les degrés Celsius, , s’annulent et nous laissent avec des joules, J.
La réponse finale est 5 040 J.
En laboratoire, la variation de température provoquée par une réaction peut être mesurée à l’aide d’un appareil simple appelé calorimètre. Des expériences qui mesurent la chaleur transférée par des réactions sont appelées expériences de calorimétrie.
Définition : Calorimétrie
La calorimétrie est l’étude du transfert de chaleur au cours de modifications physiques et chimiques.
Définition : Calorimètre
Un calorimètre est un appareil utilisé pour mesurer l’énergie transférée sous forme de chaleur lors de modifications physiques ou chimiques. Ceci peut être considéré comme un système isolé.
Un calorimètre simple se compose d’un récipient de réaction isolé thermiquement, d’un agitateur et d’un thermomètre. Un gobelet en polystyrène, supporté par un bécher, avec un couvercle ajusté hermétiquement est souvent utilisé comme récipient isolé thermiquement pour la réaction. Le récipient est habituellement rempli avec une masse prédéterminée d’eau, qui contient les réactifs. La figure ci-dessous illustre un calorimètre simple.
Ce type de calorimètre peut être utilisé pour mesurer la variation d’énergie thermique qui se produit dans une réaction qui se déroule dans une solution aqueuse. Les réactions de neutralisation et les réactions d’oxydoréduction peuvent être étudiées en utilisant ce type d’appareil. Dans ce type de calorimètre simple, le récipient isolé thermiquement est à pression atmosphérique, et la réaction a lieu à pression constante.
Exemple 3: Déterminez la conformité d’un appareil expérimental pour une expérience de calorimétrie
Le schéma ci-dessous montre le montage expérimental d’un simple calorimètre pour mesurer la variation d’enthalpie dans certaines réactions. Pour quel type de réaction cet appareil expérimental ne serait-il pas adapté pour mesurer la variation d’enthalpie ?
- la dissolution ;
- la combustion ;
- la réaction de déplacement ;
- la neutralisation ;
- la précipitation.
Réponse
Le type de calorimètre illustré dans le schéma ci-dessus est le plus adapté pour mesurer la variation d’enthalpie des réactions qui ont lieu en solution aqueuse ou dans un milieu liquide.
Les réactions de dissolution ont lieu lorsqu’un soluté se dissout dans un solvant liquide. Un exemple de ceci est lorsqu’un composé ionique, tel que le nitrate d’ammonium, se dissout dans l’eau pour former des ions hydratés.
Bien que des réactions de déplacement puissent se produire entre des réactifs solides, elles se produisent généralement dans l’eau. Un exemple de ce type de réaction serait du magnésium en poudre déplaçant le cuivre dans une solution aqueuse de sulfate de cuivre.
Des réactions de neutralisation ont lieu entre un acide et une base. L’acide et la base sont généralement dissous dans l’eau. Dans ce cas, la solution basique peut être appelée un alcalin. Ces réactions sont souvent rencontrées lors d’une expérience de titrage dans laquelle un indicateur acido-basique est utilisé.
Les réactions de précipitation impliquent la formation d’un produit insoluble à partir d’un mélange de solutions. Dans ces réactions, le solvant est fréquemment de l’eau.
Toutes les réactions décrites jusqu’à présent pourraient être conduites à l’intérieur d’un simple calorimètre constitué d’un gobelet en polystyrène, isolé avec de la ouate.
Les réactions de combustion, qui produisent une sorte de flamme, ont besoin d’un bon apport de dioxygène pour assurer une combustion complète. Il ne serait pas possible de chauffer un gobelet en polystyrène directement avec une flamme, car il s’enflammerait, de même que l’isolant en coton (la ouate). Le gobelet en polystyrène n’est pas un bon conducteur de la chaleur, et l’alimentation en dioxygène de la flamme serait limitée à l’intérieur de l’appareil illustré ici. L’appareil illustré n’est pas adapté aux expériences de calorimétrie impliquant une combustion. La bonne réponse est la B.
Pour des réactions telles que la combustion de carburant, un type de calorimètre différent est nécessaire. Ici, un calorimètre de combustion à volume constant est utilisé. Un schéma simple d’un calorimètre à combustion est illustré ci-dessous.
Comme le calorimètre de base, le calorimètre à combustion contient de l’eau, un agitateur et un thermomètre. Cependant, comme l’échantillon doit être brûlé, il ne peut pas être placé directement dans l’eau. Au lieu de cela, l’échantillon est placé à l’intérieur d’une chambre, qui peut ensuite être allumée à distance en utilisant les fils d’allumage.
Comme cette chambre est également connue sous le nom de « cellule bombe », le calorimètre entier est souvent appelé bombe calorimétrique.
Lorsque l’on utilise le calorimètre simple ou la bombe calorimétrique, certaines hypothèses sont faites. Celles-ci incluent que la température maximale reflète la quantité de chaleur dégagée, et qu’aucune chaleur ne s’échappe du calorimètre vers l’environnement. Enfin, nous supposons également que le calorimètre lui-même, ainsi que les autres équipements présents tels que l’agitateur et le thermomètre, n’absorbent aucune chaleur.
La bombe calorimétrique est souvent utilisée pour déterminer la valeur calorifique des aliments nutritifs.
Le joule (J) et la calorie (cal) peuvent tous deux être utilisés comme unités d’énergie. Le joule est l’unité SI de l’énergie. Un joule est défini comme la quantité d’énergie thermique nécessaire pour augmenter la température de 1 g d’eau de .
Les joules peuvent être convertis en calories s’ils sont divisés par la valeur 4,184, et les calories peuvent être transformées en joules si elles sont multipliées par la valeur 4,184.
Les facteurs de conversion suivants peuvent également être utilisés pour convertir les joules (J) en calories (cal) :
Mille calories peuvent être définies comme une kilocalorie (kcal). La relation entre la calorie et la kilocalorie est
Définition : Calorie
Une calorie est la quantité d’énergie nécessaire pour augmenter la température d’un gramme d’eau de un degré Celsius. Ceci est équivalent à exactement 4,184 J.
Une variation d’enthalpie pour une réaction chimique est habituellement calculée en kilojoules par mole. C’est ce que l’on appelle la variation d’enthalpie molaire. L’énergie thermique transférée pendant la réaction chimique doit être liée au nombre de moles de particules impliquées dans la réaction chimique. Pour les composés solides, les moles qui réagissent peuvent être calculées à partir de la masse du réactif limitant utilisé. Pour les solutions liquides, les moles qui réagissent peuvent être calculées à partir de la concentration de la solution et du volume occupé. Il est important que la variation d’enthalpie molaire soit donnée avec le bon signe. Pour les réactions exothermiques, la variation d’enthalpie molaire porte un signe négatif. Pour les réactions endothermiques, la variation d’enthalpie molaire porte un signe positif.
D’après des résultats expérimentaux, la variation d’enthalpie molaire peut être calculée à l’aide de l’équation suivante : où est le nombre de moles du réactif limitant qui réagissent dans l’équation chimique équilibrée.
Exemple 4: Calculez une variation d’enthalpie molaire à partir de données expérimentales
Lorsque 50 mL d’eau contenant 0,5 mol/L de à ont été mélangés avec 50 mL d’eau contenant 0,5 mol/L de à , la température la plus élevée qui a été enregistrée est de .
- Quelle est la valeur de pour cette réaction ? Utilisez une valeur de pour la capacité thermique spécifique de l’eau. Donnez votre réponse en joules.
- Si est le réactif limitant, quelle est la valeur de en kilojoules par mole de ? (, , )
- L’équation équilibrée de la réaction est Quelle est la variation d’enthalpie en kilojoules de consommé ? Donnez votre réponse sous la forme d’un nombre entier.
Réponse
Partie 1
Nous utilisons l’équation pour calculer en joules l’énergie transférée à l’eau dans cette réaction.
Le volume total de liquide dans le récipient est de . Nous supposons que ce liquide a une masse volumique de 1 g/mL. La masse du liquide est donc de .
La variation de température est de .
En utilisant l’équation, . Ceci équivaut à 2 520 J.
Partie 2
Le nombre de moles de qui réagissent peut être calculée en multipliant la concentration de la solution et le volume occupé en litres.
Le nombre de moles de est de . Donc, .
Comme , ceci est équivalent à . Donc, .
Nous divisons maintenant les kilojoules par le nombre de moles de qui réagissent :
Partie 3
Comme nous avons calculé que le nombre de moles de est de 0,025 mol, nous pouvons utiliser le rapport molaire de l’équation équilibrée pour établir le nombre de moles de consommées. Pour chaque mole de consommée, la moitié du nombre de moles de est consommée, car ces espèces réagissent dans un rapport . Nous avons de consommée.
Pour déterminer la variation d’enthalpie en kJ/mol pour chaque mole de , nous divisons par .
Ceci équivaut à de .
Nous devons donner la réponse avec un signe négatif, car la chaleur est transférée du système vers l’environnement. Cela est évident, car il y a eu une augmentation de température pendant la réaction. Au nombre entier le plus proche, la réponse est .
Exemple 5: Calculez la variation de chaleur par gramme de combustible à partir de données expérimentales
Dans une expérience, 80 g d’eau sont mesurés et placés dans un récipient en cuivre, et leur température a été enregistrée. Une lampe à alcool contenant un combustible est pesée puis placée sous le récipient en cuivre. La mèche de la lampe à alcool est allumée, et l’eau est chauffée jusqu’à ce que la température atteigne . La flamme est ensuite éteinte, et la température finale de l’eau est enregistrée. La lampe à alcool est pesée de nouveau. Les résultats sont listés dans le tableau ci-dessous.
| Température initiale de l’eau () | Température finale de l’eau () | Masse de la lampe à alcool avant chauffage (g) | Masse de la lampe à alcool après chauffage (g) |
|---|---|---|---|
| 22,5 | 51,2 | 54,38 | 52,88 |
- Quelle est la valeur de , l’énergie thermique transférée dans l’expérience ? Donnez votre réponse en kilojoules et au dixième près. Utilisez une valeur de pour la capacité thermique spécifique de l’eau.
- Quelle est la variation de chaleur par gramme de combustible ? Donnez votre réponse en kilojoules par gramme de combustible.
Réponse
Partie 1
Dans cette partie de la question, on nous demande de calculer la quantité d’énergie thermique transférée à 80 g d’eau lorsqu’un combustible est brûlé.
Nous pouvons calculer la quantité d’énergie thermique () transférée à l’aide de l’équation suivante : où est la masse en grammes, est la capacité thermique spécifique en et est la variation de température.
D’après la question, on nous dit que la masse d’eau est de 80 g et que la capacité thermique spécifique de l’eau est de 4,18. Cependant, nous devrons utiliser les données du tableau pour calculer la variation de température :
En substituant les valeurs dans l’équation, nous obtenons
Nous pouvons voir en analysant les unités que les grammes, g, et les degrés Celsius, , s’annuleront pour nous laisser avec des joules, J.
Cependant, dans la question on nous demande que la valeur soit donnée en kilojoules et au dixième près. Pour convertir des joules en kilojoules, nous devons diviser la valeur par 1 000 :
En arrondissant cette valeur au dixième près, nous obtenons comme réponse finale 9,6 kJ.
Partie 2
Après avoir déterminé la quantité de chaleur qui est transférée lorsque le combustible est brûlé, nous devons maintenant déterminer à combien cela correspond par gramme de combustible.
Afin de calculer cette valeur, nous avons besoin de connaître la quantité de combustible qui est brûlé pendant l’expérience. À partir du tableau fourni dans la question, nous pouvons calculer la différence de masse de la lampe à alcool avant et après chauffage :
Ce résultat nous indique que la combustion de 1,5 g de combustible produit 9,6 kJ de chaleur. Par conséquent, afin de déterminer la quantité de chaleur produite par gramme de combustible, nous diviserons la quantité de chaleur produite par la masse de combustible brûlé :
La réponse finale est 6,4 kJ/g de combustible.
Il est important de prendre en compte les limites des expériences de calorimétrie effectuées en laboratoire avec un appareil simple. Le calorimètre n’est pas un système parfaitement isolé, et un transfert de chaleur vers l’air et les surfaces environnantes est inévitable. En conséquence, la variation de température mesurée sera généralement inférieure à ce qu’elle serait s’il n’y avait pas de transfert de chaleur. Cela conduira à une valeur calculée de variation d’enthalpie molaire inférieure à la valeur réelle.
Lorsque des expériences de combustion sont effectuées, le transfert de chaleur vers l’air environnant est plus important, et de grandes erreurs expérimentales peuvent être rencontrées. Une combustion incomplète se produit fréquemment lors de simples expériences en laboratoire. Des expériences de combustion incomplètes laissent des dépôts de suie sur les calorimètres. Moins d’énergie est libérée par la réaction de combustion dans ces conditions. Cela conduira à des valeurs expérimentales plus faibles pour les enthalpies molaires de combustion, comparé aux données acceptées, mesurées dans des conditions standard.
Résumons ce que nous avons vu dans cette fiche explicative.
Points clés
- La loi de conservation de l’énergie stipule que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite ; elle est seulement transférée.
- Dans un système ouvert, l’énergie et la matière sont échangées avec l’environnement, tandis que dans un système fermé, seule l’énergie peut être échangée.
- Dans un système isolé, ni l’énergie ni la matière ne peuvent être échangées avec l’environnement.
- La capacité thermique spécifique d’une substance est la quantité d’énergie, mesurée en joules, nécessaire pour augmenter la température d’un gramme d’une substance de un degré Celsius.
- Un calorimètre simple consiste en un gobelet isotherme, un couvercle et un thermomètre pour enregistrer la température du contenu.
- L’énergie thermique transférée, exprimée en joules, est calculé à l’aide de l’équation .
- La variation d’enthalpie molaire, , peut être calculée en divisant l’énergie thermique transférée par le nombre de moles de substance qui réagit.
- Il est impossible d’isoler complètement la cellule calorimètrique de l’environnement. La perte de chaleur vers, ou le transfert de chaleur depuis l’environnement provoquera des erreurs expérimentales.
