Transcription de la vidéo
Dans cette vidéo, nous allons explorer les significations de « exothermique » et « endothermique » lorsque ces termes s’appliquent aux réactions, et nous examinerons les transferts d’énergie impliqués.
Considérons la réaction la plus simple possible, la formation d’une liaison simple entre deux atomes d’hydrogène. En règle générale, un atome d’hydrogène a un noyau à un seul proton et aucun neutron, et un électron dans son nuage électronique. Lorsque deux atomes d’hydrogène se rapprochent, l’électron d’un atome d’hydrogène est attiré vers le noyau de l’autre. Quand ils sont assez proches, une liaison covalente est formée ; les deux électrons sont partagés entre les deux noyaux.
Cependant, l’énergie ne peut pas être créée ou détruite. Ainsi, lorsque les deux atomes se lient, toute l’énergie est encore présente. Tout le potentiel chimique qu’ils possédaient avant la formation de liaison devient de l’énergie cinétique de rotation ou de vibration de la molécule. Quand cette molécule d’hydrogène excitée à haute énergie entre en collision avec d’autres particules, cette énergie est en partie perdue et la molécule d’hydrogène devient plus stable. Donc globalement, l’énergie potentielle chimique des réactifs devient de l’énergie cinétique, qui se dissipe dans l’environnement, probablement sous forme de chaleur. Isolée, la molécule d’hydrogène est plus stable que les atomes séparés. Donc, en gros, on peut dire que la formation de liaisons libère de l’énergie.
Alors, qu’en est-il du phénomène inverse ? L’inverse de la formation de liaison est la dissociation de liaison, autrement dit la rupture de la liaison. Prenons notre molécule d’hydrogène stable du dernier exemple. On peut envoyer une particule avec beaucoup d’énergie chimique, qui va exciter la molécule. Si les conditions sont réunies, la molécule d’hydrogène peut être brisée, transformant l’énergie cinétique en énergie potentielle chimique. Cela signifie que si nous ne parlons que de la molécule et des atomes, la dissociation des liaisons nécessite un apport d’énergie, on la décrit donc souvent comme une absorption d’énergie. Cette énergie sera souvent fournie par le milieu environnant. Les termes que nous allons à présent utiliser sont exothermique et endothermique. Mais que signifient-ils exactement ?
Les deux mots contiennent tous les deux -thermique. En effet, généralement, la majeure partie de l’énergie transférée dans les réactions est de l’énergie thermique, communément appelée chaleur. Un objet chaud a une plus grande énergie thermique qu’un objet froid. Cette énergie passera de l’objet chaud à l’objet froid, il est donc naturel de penser à l’énergie entrant ou sortant d’un système comme une énergie thermique. Exo- dans exothermique signifie à l’extérieur ou simplement sortante. Endo- dans endothermique signifie à l’intérieur ou simplement entrante. Il serait donc tout à fait logique qu’exothermique signifie sortie d’énergie thermique et endothermique signifie entrée d’énergie thermique.
Mais les chimistes admettent qu’il existe de nombreuses formes d’énergie, comme la lumière ou le son, impliquées dans les réactions. Donc, en fait, exothermique signifie sortie de tout type d’énergie et endothermique signifie entrée de tout type d’énergie. Rappelez-vous simplement que le suffixe -thermique ne signifie pas vraiment ce à quoi on s’attend. Pour en revenir à ce dont nous parlions, lors de la formation des liaisons, l’énergie potentielle chimique est convertie en d’autres formes d’énergie qui sont libérées, donc la formation de liaisons est exothermique. Au contraire, la dissociation des liaisons est endothermique. Nous avons donc examiné l’exothermie et l’endothermie appliquées aux liaisons simples. Mais qu’en est-il des réactions plus compliquées ?
En règle générale, lors d’une réaction chimique, des liaisons se brisent dans les réactifs et des liaisons se forment par la suite dans les produits. Toutes les substances qui existent sur le chemin réactionnel sont appelées des intermédiaires, même si le nom importe peu. On peut qualifier l’énergie totale nécessaire pour briser les anciennes liaisons comme entrante et l’énergie totale obtenue lors de la formation des nouvelles liaisons comme sortante. Si l’énergie sortie est supérieure à l’énergie entrée, alors, globalement, de l’énergie a été libérée et la réaction est exothermique. Cependant, si l’énergie entrée est supérieure à l’énergie sortie, alors dans l’ensemble, de l’énergie a été absorbée et la réaction est endothermique.
Les réactions de combustion, comme la combustion du méthane, sont de bons exemples de réactions exothermiques. Les liaisons sont plus fortes dans les produits que dans les réactifs, on constate donc une libération d’énergie dans le milieu environnant. On observe également des dégagements d’énergie lors de changements d’états ; par exemple, lorsqu’un liquide se transforme en solide, lorsque l’eau gèle, une petite quantité d’énergie est libérée. Un bon exemple de réaction endothermique est la décomposition du carbonate de calcium, un processus essentiel dans la production de ciment. Il nécessite l’apport d’une quantité significative d’énergie. D’autre part, la fonte des glaces est beaucoup plus douce et ne nécessite pas autant d’énergie que la décomposition du carbonate de calcium, mais c’est aussi un processus endothermique.
Lorsqu’on parle de réactions, on ne considère souvent que les réactifs et les produits, et rien d’autre. Nous appelons les réactifs et les produits le système. Tout le reste, nous l’appelons simplement le milieu environnant. Très souvent, lorsqu’on parle d’énergie, on ne parle en fait que de l’énergie du système. Une entrée d’énergie augmente l’énergie du système, et une sortie d’énergie la diminue. Donc, pour une entrée d’énergie, la variation d’énergie est positive. Et pour une sortie d’énergie, la variation d’énergie est négative. Donc, dans l’ensemble, si de l’énergie est libérée, l’énergie du système diminue, la variation d’énergie est négative et la réaction est exothermique. D’un autre côté, si de l’énergie est absorbée, l’énergie du système augmente, la variation d’énergie est positive et la réaction est endothermique.
Nous pouvons également parler de l’énergie du système en termes d’enthalpie. Cela dépasse le cadre de cette vidéo, mais le même principe s’applique lorsque nous parlons de réactions exothermiques et endothermiques. Donc, pour une réaction exothermique, la variation d’enthalpie sera négative ; l’enthalpie du système aura diminué car de l’énergie a été libérée dans l’environnement, tandis que dans une réaction endothermique, la variation d’enthalpie est positive ; l’enthalpie du système aura augmenté car de l’énergie aura été absorbée par le milieu environnant.
Donc, nous avons déjà discuté du fait que l’énergie n’a pas besoin d’être de l’énergie thermique pour être échangée entre le système et l’environnement. Mais on peut généralement utiliser les changements d’énergie pour prédire si le milieu environnant deviendra plus chaud ou plus froid. Si on constate une augmentation de la température de l’environnement due à une réaction, alors il est presque certain qu’elle est exothermique, et vice versa. Mais si le milieu environnant refroidit, alors la réaction est endothermique. Maintenant que nous en savons autant sur les processus endothermiques et exothermiques, nous allons nous entraîner.
Soit l’équation de réaction chimique indiquée. H plus H réagissent pour former H liaison simple H. Cette réaction est-elle endothermique ou exothermique ?
L’équation de la réaction montre que nous formons une liaison entre deux atomes d’hydrogène, c’est donc un exemple de formation de liaison. En général, de l’énergie est libérée lors de la formation d’une liaison. Lors d’une réaction endothermique, de l’énergie est absorbée. Et dans une réaction exothermique, de l’énergie est libérée. Par conséquent, dans cette réaction, puisque nous ne formons qu’une seule liaison et que nous n’en brisons aucune, cette réaction est exothermique.
Donc, cet exemple était relativement simple. Faisons-en un plus difficile.
Une réaction chimique a une enthalpie de réaction positive de 430 kilojoules par mole. Est-elle endothermique ou exothermique ?
Donc, nous avons ici une réaction chimique inconnue où les réactifs se transforment en produits avec une variation d’enthalpie positive. Cela signifie qu’avec cette réaction, il y a plus d’énergie entrée dans le système qu’elle ne l’a quitté. Une réaction endothermique est une réaction où l’énergie entrée est supérieure à l’énergie sortie. Elle est généralement accompagnée d’une diminution de la température du milieu environnant. D’un autre côté, une réaction exothermique est une réaction où l’énergie libérée est supérieure à l’énergie absorbée. Elle est généralement accompagnée d’une augmentation de la température de l’environnement.
Puisque la variation d’enthalpie est positive, l’enthalpie après la réaction est supérieure à l’enthalpie avant la réaction. La réaction est donc par définition, endothermique, même si nous ne connaissons pas les réactifs et ni les produits.
Terminons avec les points clés. Dans les réactions exothermiques, il y a plus d’énergie libérée qu’absorbée. Dans les réactions exothermiques, l’énergie totale du système diminue. Ainsi, la variation d’énergie est négative, la variation d’enthalpie est négative et le milieu environnant se réchauffe généralement. La formation de liaisons est un exemple de processus exothermique. D’autre part, dans les réactions endothermiques, il y a plus d’énergie absorbée que libérée. Dans les processus endothermiques, l’énergie totale du système augmente. Ainsi, la variation d’énergie du système est positive, la variation d’enthalpie est positive, et les environs se refroidissent généralement. Et enfin, la dissociation ou la rupture de la liaison est un exemple de processus endothermique.
