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Vidéo de la leçon : La loi de Hess Chimie

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à définir et à utiliser la loi de Hess pour calculer les changements d’enthalpie.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir la loi de Hess, qui est très utile en chimie pour calculer les changements d’enthalpie. Nous allons définir la loi de Hess et l’utiliser pour calculer la variation d’enthalpie de combustion et de formation.

Imaginons qu’on essaye de gravir une montagne. On pourrait emprunter plusieurs chemins pour atteindre le sommet de la montagne. L’ascension de la montagne peut prendre des temps différents, selon le chemin qu’on emprunte. Mais comme les deux chemins partent de la base de la montagne et se terminent au sommet, la variation d’altitude sera la même quel que soit le chemin emprunté. La variation d’énergie au cours d’une réaction chimique est similaire à la variation d’altitude lors de l’ascension d’une montagne. Autrement dit, si on commence une réaction avec des réactifs et qu’on finit avec des produits, la variation d’énergie sera la même, quel que soit le chemin emprunté pour passer des réactifs aux produits. C’est exactement ce que dit la loi de Hess. La variation d’enthalpie d’une réaction chimique est indépendante du chemin emprunté.

Donc, voyons une réaction chimique générique, où on commence avec des réactifs et on forme des produits. Un chemin va directement des réactifs aux produits, mais il y a un deuxième chemin qui passe par des des intermédiaires réactionnels avant d’arriver aux produits. La loi de Hess nous dit que la variation d’enthalpie pour le chemin un sera égale à la variation d’enthalpie pour le chemin deux. Si on regarde un diagramme énergétique de cette réaction, la raison de la loi de Hess devient évidente. Ici, on a l’état du réactif et l’état du produit. La variation d’enthalpie nécessaire pour passer des réactifs aux produits est simplement la différence entre l’enthalpie de l’état du produit et l’enthalpie de l’état du réactif, qui est indiquée par 𝛥𝐻 a.

Dans le deuxième chemin, des intermédiaires réactionnels sont d’abord formés. La variation d’enthalpie marquée 𝛥𝐻 b est la variation d’enthalpie allant des réactifs aux intermédiaires réactionnels. Et 𝛥𝐻 c est la variation d’enthalpie pour passer des intermédiaires réactionnels aux produits. La variation d’enthalpie pour le premier chemin est juste 𝛥𝐻 a. Et on peut trouver la variation d’enthalpie pour le chemin deux en additionnant 𝛥𝐻 b et 𝛥𝐻 c, ce qui donne cette variation d’enthalpie. Comme nous pouvons le voir, la variation de l’enthalpie pour le chemin un est identique à la variation d’enthalpie pour le chemin deux. Ce n’est pas surprenant car dans les deux cas, on commence avec les réactifs et on finit avec les produits.

La variation totale d’enthalpie est toujours déterminée par les positions relatives des réactifs et des produits sur le diagramme énergétique. La loi de Hess est incroyablement pratique en chimie pour nous aider à déterminer les variations d’enthalpie de différentes réactions. Par exemple, on pourrait ne pas connaître la variation d’enthalpie pour passer directement des réactifs aux produits. Mais comme la variation d’enthalpie est la même pour ces deux chemins, on peut calculer la variation d’enthalpie qui nous intéresse, sans faire d’expérience, tant qu’on on a la ou les variations d’enthalpie de l’autre chemin.

Voyons comment utiliser la loi de Hess pour calculer la variation d’enthalpie d’une réaction. Disons que nous voulons connaître l’enthalpie standard de formation du benzène. Rappelons que l’enthalpie standard de formation est la variation d’enthalpie lorsqu’une mole d’une substance est formée à partir de ses éléments constitutifs dans leur état standard et dans des conditions standard. Les conditions standard sont définies à une température de 298 kelvins et sous une pression d’un bar. On peut parfois voir une pression d’une atmosphère pour des conditions standard, car un bar et une atmosphère sont des valeurs proches.

Donc, si on veut connaître l’enthalpie standard de formation du benzène, on décrit la réaction où on forme du benzène directement à partir de carbone sous forme de graphite et d’hydrogène gazeux. On pourrait mesurer la variation d’enthalpie d’une réaction en effectuant une expérience de calorimétrie. Mais il est impossible de créer du benzène à partir de graphite et d’hydrogène gazeux, donc on ne peut pas mesurer l’enthalpie de formation du benzène. Par contre, on peut mesurer l’enthalpie standard de combustion de chacune des espèces chimiques impliquées dans la réaction. Pour rappel, l’enthalpie standard de combustion est la variation d’enthalpie lorsqu’une mole d’une substance à l’état standard brûle complètement dans l’oxygène dans des conditions standard. Donc, voilà les réactions chimiques qu’on utilise pour déterminer l’enthalpie de combustion de chacune des espèces chimiques.

Nous allons utiliser ces réactions et la loi de Hess pour calculer l’enthalpie de formation du benzène en construisant un cycle de Hess. La première étape de la construction du cycle de Hess consiste à écrire l’équation chimique qui correspond au changement d’enthalpie qu’on veut connaître. Ensuite, il faut inclure les espèces chimiques qui sont impliquées dans les autres réactions utilisées pour calculer la variation d’enthalpie. Ce qui est important d’inclure ici, ce sont les produits de ces réactions de combustion, le dioxyde de carbone et l’eau. Nous pourrions inclure l’oxygène dans notre cycle de Hess, mais cela encombrerait l’écran. De plus, ces réactions sont effectuées avec un excès d’oxygène, donc l’oxygène n’est pas l’espèce chimique la plus importante à inclure dans notre cycle de Hess.

Ensuite, pour construire le cycle de Hess, on dessine des flèches pour relier les réactifs et les produits. Le graphite brûle dans l’oxygène et produit du dioxyde de carbone. L’hydrogène brûle dans l’oxygène et produit de l’eau. Et le benzène brûle dans l’oxygène et produit du dioxyde de carbone et de l’eau. Ensuite, nous ajoutons les variations d’enthalpie de chacune des réactions pour lesquelles nous venons de mettre des flèches. Cette flèche représente la combustion du graphite. La variation d’enthalpie pour cette flèche est la variation d’enthalpie de combustion du graphite. Mais il y a six moles de graphite dans la réaction. Donc, on doit multiplier cette variation d’enthalpie par six. Et l’enthalpie de combustion du graphite est moins 393,5 kilojoules par mole.

Cette flèche représente la combustion de l’hydrogène. Donc, la variation d’enthalpie pour cette flèche est trois fois l’enthalpie de combustion de l’hydrogène puisqu’il y a trois moles d’hydrogène dans notre cycle de Hess. Et l’enthalpie de combustion de l’hydrogène est moins 285,8 kilojoules par mole. Enfin, la dernière flèche représente la combustion du benzène. Il n’y a qu’une mole de benzène dans notre cycle de Hess. Donc, la variation d’enthalpie pour cette flèche est simplement la variation d’enthalpie de combustion du benzène, moins 3267 kilojoules par mole.

Maintenant, nous devons construire deux chemins autour du diagramme afin d’appliquer la loi de Hess à notre cycle de Hess. Quand on construit de tels chemins, les flèches doivent aller dans la même direction. Donc, on peut commencer par le carbone et l’hydrogène et suivre les flèches vers le dioxyde de carbone et l’eau. Pour l’autre chemin, on commence de nouveau par le carbone et l’hydrogène et on suit l’autre flèche qui va vers le dioxyde de carbone et l’eau.

La loi de Hess nous dit que la variation d’enthalpie pour le chemin un est égale à la variation d’enthalpie pour le chemin deux. La variation totale d’enthalpie pour le chemin un est l’enthalpie de formation de benzène plus l’enthalpie de combustion du benzène, moins 3267 kilojoules par mole. La variation totale de l’enthalpie pour le chemin deux est de six fois moins 393,5 kilojoules par mole plus trois fois moins 285,8 kilojoules par mole.

Maintenant, nous avons tout ce dont nous avons besoin pour trouver l’enthalpie de formation du benzène. Isolons d’abord l’enthalpie de formation en ajoutant 3267 kilojoules par mole des deux côtés. Maintenant, on peut calculer l’enthalpie de formation de benzène, ce qui donne 48,6 kilojoules par mole. Maintenant, nous savons comment utiliser la loi de Hess pour construire des cycles de Hess afin de calculer les variations d’enthalpie des réactions qui nous intéressent.

L’application la plus courante de la loi de Hess est peut-être le calcul de la variation d’enthalpie d’une réaction à partir des enthalpies de formation. Par exemple, déterminons la variation d’enthalpie associée à cette réaction. Voici la réaction impliquée dans la respiration cellulaire, où le glucose est utilisé pour produire de l’énergie pour nos cellules. Nous aurons besoin des enthalpies de formation de chacune des espèces chimiques impliquées dans cette réaction. Rappelez-vous que les enthalpies de formation sont relatives à la formation de ces espèces chimiques à partir des éléments qui les composent.

Pour construire notre cycle de Hess, nous devons inclure les éléments qui composent chacune des espèces chimiques. Mais d’abord, je vais supprimer l’enthalpie standard de formation de l’oxygène de ce tableau pour faire de la place. Après tout, l’enthalpie standard de formation d’un élément dans son état standard est zéro. Donc, cela ne fournit pas d’informations utiles ici. Pour former les espèces chimiques de chaque côté de la réaction chimique à partir de leurs états standard, il faut six atomes de carbone sous forme de graphite, neuf atomes d’oxygène gazeux et six atomes d’hydrogène gazeux.

L’étape suivante dans la construction du cycle de Hess est de tout relier avec des flèches. Les flèches dans le cycle de Hess doivent correspondre aux flèches des réactions qui correspondent aux enthalpies de formation. Le glucose est formé à partir de carbone, d’oxygène et d’hydrogène, le dioxyde de carbone est formé à partir d’oxygène et de carbone, et l’eau est formée à partir d’hydrogène et d’oxygène. On n’a pas besoin d’inclure l’oxygène gazeux dans le cycle de Hess, puisque l’enthalpie de formation de l’oxygène est nulle.

Ensuite, attribuons les variations d’enthalpie correctes aux flèches que nous venons de dessiner. Cette flèche est l’enthalpie de formation du glucose, qui est de moins 1273,3 kilojoules par mole. Cette flèche correspond à l’enthalpie de formation du dioxyde de carbone, en fait six fois l’enthalpie de formation du dioxyde de carbone, puisqu’il y a six moles de dioxyde de carbone dans l’équation de réaction. L’enthalpie de formation du dioxyde de carbone est de moins 393,5 kilojoules par mole. Et cette dernière flèche correspond à l’enthalpie de formation de l’eau. Et là aussi, ce sera six fois l’enthalpie de formation de l’eau puisqu’il y a six moles d’eau dans l’équation de réaction. On peut donc indiquer l’enthalpie de formation de l’eau, moins 285,8 kilojoules par mole.

Maintenant, nous devons tracer les chemins autour du cycle de Hess, en nous assurant que la direction de la flèche correspond. Donc, un des chemins peut aller dans ce sens autour du cycle de Hess et l’autre chemin peut aller dans ce sens. Selon la loi de Hess, la variation d’enthalpie de ces deux chemins doit être égale. La variation totale d’enthalpie pour le chemin un est la somme de 1273,3 kilojoules par mole et de l’enthalpie standard de la réaction que nous voulons calculer. Et la variation totale de l’enthalpie pour le chemin deux est la somme de six fois moins 393,5 kilojoules par mole et de six fois moins 285,8 kilojoules par mole.

Maintenant, nous pouvons calculer le 𝛥𝐻 de la réaction. On isole la variation d’enthalpie recherchée en ajoutant 1273,3 kilojoules par mole des deux côtés. En faisant le calcul, on obtient moins 2802,5 kilojoules par mole pour la variation d’enthalpie de la réaction.

Dans le passé, vous avez peut-être calculé la variation d’enthalpie d’une réaction en utilisant les enthalpies de liaison. Dans un tel cas, on prend la somme des enthalpies des liaisons qui sont rompues dans les réactifs et qu’on soustrait les enthalpies des liaisons qui se forment dans les produits. Et maintenant, nous avons vu comment calculer la même grandeur à l’aide des enthalpies standard de formation. Alors, laquelle de ces approches est la meilleure ? Est-ce qu’il vaut mieux calculer la variation d’enthalpie d’une réaction en utilisant des enthalpies de liaison ou des enthalpies de formation ?

On peut rechercher les valeurs des enthalpies de liaison et des enthalpies de formation dans des tableaux et les utiliser pour calculer l’enthalpie de réaction. Mais d’où viennent ces valeurs ? Les enthalpies de formation sont mesurées directement dans des expériences, ou calculées en utilisant des données expérimentales. Et ces expériences sont effectuées dans des conditions standard. Les enthalpies de liaison sont simplement des valeurs moyennes pour une liaison de ce type. Mais en réalité, les enthalpies de liaison varient en fonction du reste de la molécule. De plus, les enthalpies de liaison ne sont pas mesurées dans des conditions standard. Donc, la meilleure façon de calculer une variation d’enthalpie de réaction est d’utiliser les enthalpies standard de formation, qui sont plus précises.

Maintenant, terminons cette vidéo en résumant ce que nous avons appris. La loi de Hess dit que la variation d’enthalpie d’une réaction chimique est indépendante du chemin emprunté. On peut utiliser un cycle de Hess pour calculer une variation d’enthalpie. Nous avons vu comment calculer une enthalpie de formation à partir des enthalpies de combustion, et comment calculer l’enthalpie d’une réaction en utilisant les enthalpies de formation. Mais il est possible de construire des cycles de Hess plus compliqués pour d’autres réactions. On peut aussi calculer la variation d’enthalpie d’une réaction en utilisant des enthalpies de liaison, mais les résultats ne seront pas aussi précis qu’avec les enthalpies standard de formation.

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