Fiche explicative de la leçon : Unités d’énergie Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à exprimer l’énergie dans différentes unités et à les convertir entre elles.

L’énergie est la capacité d'effectuer un travail. Il existe différentes catégories d’énergie;certaines d’entre elles incluent l’énergie potentielle électrique, l’énergie potentielle chimique, l’énergie cinétique et l’énergie potentielle gravitationnelle.

Définition : Énergie

L’énergie est la capacité d'effectuer un travail.

L’énergie ne peut être ni créée ni détruite. L’énergie totale d’un système isolé demeure constante. L’énergie peut toutefois être transférée. Lorsque vous utilisez un bec Bunsen, l’énergie potentielle chimique se transforme en énergie thermique. Les becs Bunsen consomment du combustible à base de propane (CH38) et, au cours de cette réaction, l’énergie potentielle chimique des liaisons se transforme en énergie thermique et sonore. L’énergie potentielle chimique est libérée lorsque les liaisons chimiques présentes dans les molécules de propane et d’oxygène sont brisées.

De l’énergie est nécessaire pour briser une liaison chimique, et de l’énergie est libérée lorsqu’une nouvelle liaison est créée. Cette énergie est appelée énergie de liaison, ou enthalpie de liaison, et il s'agit d'une mesure de la force de liaison. L’énergie de liaison est parfois appelée énergie de dissociation d'une liaison. L’énergie de liaison peut être définie comme étant la quantité d’énergie (enthalpie) nécessaire pour en briser une mole de molécules en atomes qui les composent.

Définition : Énergie de liaison

L’énergie de liaison est la quantité d’énergie moyenne nécessaire pour briser une liaison donnée dans une mole de particules gazeuses. Elle est également appelée enthalpie de liaison.

Il existe de nombreuses catégories différentes d’énergie et elles peuvent toutes être mesurées en utilisant des unités différentes. L’unité SI pour l'énergie est le joule. Le joule est représenté par un seul J majuscule. Un joule est défini comme étant la quantité d’énergie thermique nécessaire pour augmenter la température de 1 g d’eau de 14,184C.

Définition : Joule

Un joule est la quantité d’énergie nécessaire pour augmenter la température d’un gramme d’eau de 14,184C.

Un joule représente une infime quantité d’énergie, et nous dépensons et consommons régulièrement beaucoup plus d’énergie lorsque nous mangeons et nous bougeons. Il est généralement plus approprié de décrire l’énergie en utilisant l'unité kilojoule (kJ). L’énergie contenue dans une seule tranche de pain est d’environ 250‎ ‎000 J!Il s'agit d'un très grand nombre, et la plupart des nutritionnistes choisissent donc d’exprimer cette valeur comme étant 250 kJ.

Nous pouvons utiliser la relation suivante pour convertir les joule (J) en kilojoule (kJ).

Cette relation indique que les joules peuvent être divisés par 1 000 afin d'obtenir une valeur équivalente en kilojoules. Elle indique également que les kilojoules peuvent être multipliés par 1 000 pour obtenir une valeur équivalente en joules. Une valeur de 250‎ ‎000 J peut être divisée par 1 000 pour être exprimée par une valeur de 250 kJ.

Les facteurs de conversion suivants peuvent également être utilisés pour convertir les valeurs exprimées en joule (J) en kilojoule (kJ):1000111000.JkJoukJJ

Le calcul suivant montre comment le facteur de conversion du côté droit peut être utilisé pour convertir une valeur de 250‎ ‎000 J en une valeur de 250 kJ:250000×11000=250.JkJJkJ

Le facteur de conversion est approprié dans l'exemple précédent, car le J s’annulera, ne laissant que le kJ.

L’enthalpie représente le contenu énergétique d’un système chimique. Il est difficile de mesurer directement l’enthalpie et les chimistes mesurent donc généralement plutôt la variation d'enthalpie (Δ𝐻). La variation d’enthalpie représente la quantité d’énergie thermique dégagée ou absorbée par les atomes au cours d’une réaction chimique.

Définition : Enthalpie

L’enthalpie décrit l’énergie d’un système.

La variation d’enthalpie peut être déterminée pour une seule molécule ou pour une mole de molécules. Il y a 6,022×10 particules dans une mole d’une substance chimique, de sorte que la variation d'enthalpie pour une mole représente la variation d’enthalpie pour 6,022×10 particules. La variation d’enthalpie pour une mole est exprimée en kilojoules par mole (kJ/mol).

Définition : Enthalpie molaire

L’enthalpie molaire décrit l’énergie dans un système comprenant une mole d’une substance.

Un type spécifique de liaison, comme une liaison CH, aura une énergie de liaison légèrement différente selon la molécule dans laquelle il se trouve. Pour cette raison, les énergies de liaison sont données sous forme de valeurs moyennes. Le tableau suivant indique l’énergie moyenne de certaines liaisons.

Type de liaisons simplesÉnergie de liaison moyenne (kJ/mol)
HH436
HCl427
HBr363
CH413
CC347
CN305
CO358
FF154
OO146
ClCl239

L’énergie de liaison des liaisons doubles est plus élevée que celle des liaisons simples semblables, mais elle n'est pas nécessairement le double. Le tableau suivant compare les énergies de liaison d’une liaison simple carbone-carbone (CC), d'une liaison double carbone-carbone (CC), et d'une liaison triple carbone-carbone (CC).

L’énergie de liaison d’une molécule peut être utilisée pour déterminer l’énergie de liaison d’une mole de molécules. Le processus pour déterminer l’énergie de liaison d’une mole de molécules de bromure d’hydrogène est illustré ci-dessous.

La première étape consiste à indiquer qu’une seule molécule de bromure d’hydrogène a une énergie de liaison de 6,14×10 J. La prochaine étape consiste à formuler l’équation suivante:1()=6,022×10.moledeparticulesatomes/ions/moléculesparticules

Cette équation peut ensuite être utilisée pour obtenir les facteurs de conversion suivants:6,022×10116,022×10.moléculesmoletmolmolécules

Le premier facteur de conversion peut être utilisé pour déterminer l’énergie de liaison d’une mole de molécules et le deuxième facteur de conversion peut être utilisé pour déterminer l’énergie de liaison d’une seule molécule.

Le premier facteur de conversion peut alors être utilisé pour déterminer l’énergie de liaison d’une mole de molécules de bromure d’hydrogène:énergiedeliaisonparmoledemoléculesHBrJmoléculemoléculesmolénergiedeliaisonparmoledemoléculesHBrJmol=6,14×101×6,022×101=3,6975×10/.

Arrondir cette valeur au centième près nous donne énergiedeliaisonparmoledemoléculesHBrJmol=3,70×10/.

Les énergies molaires de liaison sont généralement exprimées en kilojoule par mole. Nous devons donc convertir de joule par mole à kilojoule par mole en utilisant l'équation suivante:énergiedeliaisonparmoledemoléculesHBrJmolkJJkJmol=3,70×101×11000=370/.

Par conséquent, l’énergie de liaison du bromure d’hydrogène est de 370 kJ/mol.

En connaissant l’énergie nécessaire pour briser la liaison dans une seule molécule de bromure d’hydrogène, nous avons déterminé l’énergie nécessaire pour briser les liaisons hydrogène-brome dans une mole de molécules de bromure d’hydrogène.

Exemple 1: Convertir entre l’énergie par molécule et l’énergie par mole

Chaque molécule d’iode (I2) possède une liaison iode-iode, II. L’énergie nécessaire pour briser une de ces liaisons est de 2,51×10 J. Combien d’énergie faut-il pour briser 1,00 mole de ces liaisons II?

  1. 4,17×10 J
  2. 3,44×10 J
  3. 1,51×10 J
  4. 2,51×10 J
  5. 9,01×10 J

Réponse

L’énergie nécessaire pour briser la liaison dans une seule molécule de I2 est de 2,51×10 J. Nous avons besoin de calculer l’énergie nécessaire pour briser 1,00 mole de molécules de I2, ce qui équivaut à 6,022×10 molécules d’iode (I2).

La solution peut être présentée de différentes manières. Nous pouvons affirmer que 1,00=6,022×10moledemoléculesImoléculesdeI22 et que 2,51×101;;𝑥6,022×10.JdénergieestnécessairepourbrisermoléculedeIdoncJdénergieestnécessairepourbrisermoléculesdeI22

Ensuite, nous pouvons résoudre l'équation pour obtenir 𝑥:𝑥=2,51×106,022×101.Jmoléculesmolécule

L’unité molécule(s) peut s'annuler, ce qui nous donne la réponse suivante:𝑥=1,51×10.J

Il s'agit de l’énergie qui est nécessaire pour briser 1,00 mole de molécules d’iode.

Une autre façon de résoudre ce problème consiste à multiplier la valeur qui nous est donnée par le facteur de conversion unitaire pour le nombre de molécules dans 1 mole:2,51×101×6,022×101.Jmoléculemoléculesmole

L’unité molécule(s) se simplifie, ce qui nous donne la réponse suivante:1,51×10/.Jmol

Encore une fois, nous obtenons que 1,51×10 J d’énergie est nécessaire pour briser 1,00 mole de molécules d’iode.

Ces deux méthodes suggèrent que le choix C est la bonne réponse à cette question.

Une valeur d’énergie molaire de liaison peut également être multipliée par un facteur de conversion afin de déterminer l’énergie d’une seule liaison chimique. La série de calculs suivante montre comment un facteur de conversion peut être utilisé pour déterminer la quantité d’énergie nécessaire pour briser la liaison hydrogène-hydrogène dans une seule molécule d’hydrogène gazeux (H2).

Nous savons que l’énergie de liaison molaire des molécules d’hydrogène gazeux est de 436 kilojoules par mole, ce qui signifie que 6,022×10 molécules d’hydrogène (H2) ont une valeur énergétique nette de 436 kJ. Nous pouvons utiliser cette information pour formuler l’équation mathématique suivante:4361=4366,022×10.kJmolkJmolécules

Le côté droit de l’équation nous donne l’énergie par molécule, mais cette énergie est exprimée en kilojoule par molécule. Nous devons multiplier le terme de droite par un autre facteur de conversion si nous voulons que l’énergie soit exprimée en joule par molécule:4366,022×10×10001=7,24×10/.kJmoléculesJkJJmolécule

Annuler le terme kilojoule et de multiplier tous les nombres ensemble nous donne une valeur de 7,24×10/Jmolécule. Chaque liaison chimique dans les molécules d’hydrogène a donc une énergie de 7,24×10 J.

Exemple 2: Convertir entre l’énergie par mole et l’énergie par molécule

L’énergie molaire de liaison du F2 est de 159 kJ/mol. Calcule l’énergie d’une liaison FF.

  1. 2,64×10 J
  2. 9,58×10 J
  3. 3,79×10 J
  4. 1,65×10 J
  5. 2,55×10 J

Réponse

On nous fournit l’énergie molaire de liaison du F2, ce qui représente l’énergie de liaison pour une mole de molécules de fluor (F2) ou 6,022×10 molécules de F2. Nous pouvons utiliser un facteur de conversion afin de déterminer l’énergie de liaison d’une molécule de fluor:1591=1596,022×10.kJmolkJmolécules

Le côté droit de cette équation nous donne l’énergie de liaison d’une molécule de fluor, mais cette énergie est exprimée en kilojoules plutôt qu'en joules. L’expression de droite peut être multipliée par un autre facteur de conversion afin de déterminer la valeur énergétique y étant associée en joule:1596,022×10×10001=2,64×10/.kJmoléculesJkJJmolécule

En effectuant ce calcul, nous pouvons conclure que l’énergie pour une seule liaison FF est de 2,64×10 J, et le choix A est donc la bonne réponse.

Exemple 3: Convertir entre l’énergie par molécule et l’énergie par mole

Laquelle des quantités de liaisons suivantes nécessite le plus d’énergie pour se briser?

  1. 1,7molOO(494kJ/mol)
  2. 2,0molHCl(428kJ/mol)
  3. 1,0molCC(835kJ/mol)
  4. 2,0molHH(436kJ/mol)
  5. 5,8molII(148kJ/mol)

Réponse

La question vise à déterminer quel choix de réponse nécessite le plus d’énergie pour briser une quantité donnée de liaisons. L’énergie de liaison de chaque substance est donnée entre parenthèses pour chaque choix de réponse. Ces valeurs représentent l'énergie nécessaire pour briser les liaisons dans une mole de chacune de ces substances. Toutefois, les choix de réponse spécifient un nombre précis de moles pour chacune de ces substances. Nous devons calculer l’énergie de liaison totale pour un nombre précis de moles pour chacune de ces substances, comme suit:énergietotalenombredonnédemolesénergiemolairedeliaison=×.

Ensuite, nous devons comparer les valeurs obtenues pour A, B, C, D et E afin de déterminer laquelle est la plus grande.

Pour l’option A, l’énergie de liaison totale est calculée comme suit:1,7×494/=839,8.molkJmolkJ

Il s'agit de l’énergie totale nécessaire pour briser toutes les liaisons dans 1,7 mol de O2.

Le même calcul peut être fait pour chacune des autres options:

Pour l’option B, 2,0×428/=856.molkJmolkJ

Pour l’option C, 1,0×835/=835.molkJmolkJ

Pour l’option D, 2,0×436/=872.molkJmolkJ

Pour l’option E, 5,8×148/=858,4.molkJmolkJ

La plus grande valeur est donc de 872 kJ, ce qui signifie que la rupture de 2,0 mol de HH est ce qui nécessite le plus d'énergie. Par conséquent, la bonne réponse est D.

Une autre unité qui peut être utilisée pour l’énergie est la calorie. Historiquement, une calorie était définie comme étant la quantité d’énergie nécessaire pour faire augmenter la température d'un gramme d’eau d'un degré. Cependant, la calorie est maintenant définie comme étant précisément 4,184 joules.

Définition : Calorie

Une calorie représente la quantité d’énergie nécessaire pour faire augmenter la température d’un gramme d’eau d'un degré Celsius. C’est équivalent à exactement 4,184 J.

Les joules peuvent être convertis en calories en les divisant par 4,184, et les calories peuvent être converties en joules en les multipliant par 4,184.

Les facteurs de conversion suivants peuvent également être utilisés pour convertir entre les joules (J) et les calories (cal):4,184114,184.JcaletcalJ

Mille calories peut être défini comme étant une kilocalorie (kcal). La relation entre calorie et kilocalorie est exprimée sur la ligne suivante:1()=1000()=kilocaloriekcalcaloriescal1Cal.

Notez que, dans certains manuels, dans certaines sources sur Internet et sur certains emballages alimentaires, l’unité cal, avec un C majuscule, est utilisée. Une Cal équivaut à une kilocalorie ou à 1‎ ‎000 calories.

La figure suivante montre l’étiquette d’information nutritionnelle d’une boîte de céréales. L’énergie contenue dans chaque portion de 30 g est exprimée selon deux unités, soit les kilojoules et les kilocalories.

Le calcul suivant montre comment la valeur en kilojoules peut être convertie en une valeur équivalente en kilocalories en une seule étape:1046×14,184×10001×11000=250.kJcalJJkJkcalcalkcal

Les facteurs de conversion unitaires sont choisis pour les raisons suivantes:

  • Le premier facteur de conversion unitaire 14,184calJ est utilisé pour introduire cal dans l’expression.
  • Le deuxième facteur de conversion 10001JkJ a le kJ au dénominateur, et le kJ est donc éliminé de cette expression. Il a aussi le J au numérateur, ce qui élimine le J dans le premier facteur de conversion.
  • Le troisième facteur de conversion 11000kcalcal introduit kcal et simplifie cal.

Exemple 4: Convertir entre kilocalorie et kilojoule

On estime que l’adulte moyen devrait consommer environ 2‎ ‎000 kcal par jour pour être en bonne santé. Quelle est cette valeur en unités de kilojoules?

  1. 8,368 kJ
  2. 8‎ ‎368‎ ‎000 kJ
  3. 8‎ ‎368 kJ
  4. 83,68 kJ
  5. 836,8 kJ

Réponse

Pour répondre à cette question, nous devons être en mesure de convertir les kcal en kJ. Pour effectuer cette conversion, plusieurs facteurs de conversion, ou relations, sont nécessaires:1000=1,4,184=1,calkcalJcal et 1000=1.JkJ

D’abord, les kilocalories peuvent être converties en calories (cal) en utilisant le premier facteur de conversion unitaire:2000×10001=2000000.kcalcalkcalcal

Les kcal s'annulent pour donner une réponse de 2‎ ‎000‎ ‎000 cal. Cette valeur peut ensuite être convertie en joules en la multipliant par un deuxième facteur de conversion, comme suit:2000000×4,1841=8368000.calJcalJ

Cette valeur en joules (J) peut être convertie en kilojoules (kJ) en utilisant un autre facteur de conversion:8368000×11000=8368.JkJJkJ

Ces calculs suggèrent que C est la bonne réponse à cette question.

Points clés

  • L’énergie de liaison représente l’énergie nécessaire pour briser une liaison.
  • Les énergies de liaison sont souvent données en kilojoules par mole (kJ/mol), mais peuvent être converties pour obtenir l’énergie de liaison par molécule.
  • L’énergie est généralement exprimée en joule (J), kilojoule (kJ), calorie (cal) ou de kilocalorie (kcal).
  • Les joules et les calories sont reliées entre eux par l'équation 4,184 J = 1 cal.
  • Les kilojoules et les joules sont reliés entre eux par l'équation 1 kJ = 1‎ ‎000 J.
  • Les kilocalories et les calories sont reliées entre elles par l'équation 1 kcal = 1‎ ‎000 cal.

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