Vidéo de la leçon: Les variations d’enthalpie standard Chimie

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Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire et à définir les différents types de variations d'enthalpie standard. La signification exacte du mot « standard » peut porter à confusion. Dans cette vidéo, nous allons utiliser le mot « standard » de trois manières différentes : les conditions standard telles que de température et de pression, les états standard, et les variations d’enthalpie standard. De façon détaillée, le mot « standard » désigne quelque chose de légèrement différent pour chacune de ces situations. Toutefois, le mot « standard » signifie généralement qu’il y a un accord sur la manière dont ces concepts sont définis. Rentrons dans le vif du sujet.

Une variation d’enthalpie désigne simplement la variation d’énergie dans le système à l'étude. Si une réaction exothermique se produit dans notre système, des liaisons sont généralement rompues et de nouvelles liaisons se forment. L’énergie chimique potentielle est transformée en d’autres formes d’énergie comme la chaleur, et cette énergie quittera le système et sera libérée dans le milieu environnant. Ce qui signifie que l’enthalpie de notre système diminue. Au cours d'une réaction endothermique, d’autres formes d’énergie comme la chaleur, sont transformées en énergie chimique potentielle dans notre système. L’énergie du milieu environnant entre dans le système, ce qui en augmente l'enthalpie. Nous utilisons le symbole Δ𝐻 pour indiquer une variation d’enthalpie.

Tout cela semble parfait, mais il y a un petit problème. Les variations d’enthalpie peuvent fluctuer en fonction de la température et de la pression. Par exemple, la variation d’enthalpie pour une réaction se produisant à 25 degrés Celsius peut être légèrement différente de celle mesurée pour la même réaction à 50 degrés Celsius. C’est pour cette raison que les variations d’enthalpie standard ont été inventées. La variation d’enthalpie standard représente simplement la variation d’enthalpie prévue pour une réaction ou un processus spécifique, dans des conditions standard. Vous verrez souvent utilisé « enthalpie standard » plutôt que «  variation d’enthalpie standard » pour désigner la même chose. Nous examinons toujours la variation d’enthalpie lorsque nous parlons des enthalpies standard.

Lorsque les conditions standard sont utilisées, ce symbole, appelé le Plimsoll, est ajouté en haut à droite du symbole de variation d’enthalpie. Une condition standard est simplement une valeur convenue pour une condition donnée lorsque nous effectuons une mesure. L’une des conditions standard les plus fréquentes est la pression fixée à une atmosphère. La valeur très proche de un bar est également parfois utilisée. Une atmosphère équivaut à 1,01325 bar. Il n’y a pas de convention précise pour la température, mais la plupart des enthalpies standard seront données à 25 degrés Celsius, ce qui équivaut à 298,15 kelvins. Pour la plupart des enthalpies standard, vous pouvez supposer que la température est de 25 degrés Celsius, sauf indication contraire.

Pour les variations d’enthalpie impliquant des solutés, nous utilisons généralement une concentration d’une mole par litre. En examinant différentes données, vous pouvez retrouver des variations d’enthalpie mesurées dans des conditions standard différentes de celles-ci. Faites attention à bien déterminer lesquelles sont utilisées afin de ne pas vous tromper. Lorsque l’on parle de variations d’enthalpie standard, il est souvent question des états standard. Mais qu’est-ce que cela signifie? Comme les enthalpies sont difficiles à mesurer directement, les scientifiques ont mis au point un système spécifique avec un point de référence particulier pour chaque produit chimique. Il s'agit d'une façon de suivre les variations d’enthalpie au cours de certaines réactions sur lesquelles tout le monde peut s'entendre.

Pour la plupart des produits chimiques, l’état standard est simple. Il s'agit de l’état spécifique de ce produit chimique à une pression d'une atmosphère et à 25 degrés Celsius. L’état standard pour l’eau H2O est H2O liquide, car l’eau est généralement liquide à une pression d'une atmosphère et à 25 degrés Celsius. Malheureusement, le choix de l’état standard pour certains éléments n'est pas toujours aussi simple. Pour certains éléments, il suffit simplement de s'en rappeler. Pour la plupart des éléments, comme l’hydrogène, nous choisissons leur état caractéristique. C’est très facile. L’état standard de l’hydrogène est le H2 gazeux. Il est également sans ambiguïté pour des éléments comme l’hélium, le He gazeux, le O2 gazeux, le sodium solide et le mercure liquide, car il s'agit des états dans lesquels nous retrouvons couramment ces éléments purs à 25 degrés Celsius et à une pression d'une atmosphère.

En contrepartie, certains éléments peuvent avoir plus d'un état, ou se présenter sous différents allotropes, et les scientifiques ont donc dû décider lequel choisir. Par exemple, à une atmosphère et à 25 degrés Celsius, le carbone se présente sous plusieurs formes stables qui ont des enthalpies légèrement différentes. Les scientifiques ont donc convenu que le graphite représentait l’état standard du carbone. Si nous voulons être rigoureux, écrire « carbone solide » ne suffit pas vraiment pour déterminer une variation d’enthalpie standard, car l'état du carbone solide n’est pas clair.

Nous allons maintenant aborder quelques types de variation d’enthalpie standard. Tout d’abord, nous allons examiner les variations d’enthalpie associées à la transformation d’une substance de l'état solide à l'état liquide ou de l'état liquide à l'état gazeux. Le premier élément est l’enthalpie standard de fusion, qui représente la variation d’enthalpie lorsqu’une substance passe de l'état solide à l'état liquide par le processus de fusion. La pression standard pour ce processus sera d’une atmosphère, alors que la température sera celle de la transition de phase, soit la température à laquelle la substance passe normalement à l'état liquide.

Par exemple, l’enthalpie standard de fusion de l’eau est de 6,0 kilojoules par mole. Nous pouvons écrire l’équation de ce processus comme ceci. Nous avons l’eau solide à gauche qui se transforme en eau liquide à droite, à une atmosphère et à zéro degré Celsius. Nous utilisons spécifiquement zéro degré Celsius, parce qu'il s'agit du point de fusion de l’eau. La fusion est un processus endothermique. Ce qui signifie que nous avons besoin d’énergie pour transformer un solide en liquide, et que la variation d’enthalpie est donc positive. En effet, il faut de l'énergie pour rompre les forces intermoléculaires dans un solide afin de le faire passer à l'état liquide.

Le processus inverse est la solidification, ou congélation, qui fait passer un liquide à l'état solide. Nous pouvons décrire l’enthalpie standard de solidification comme étant la variation d’enthalpie par mole de substance lorsqu’une substance gèle dans des conditions de pression standard et au point de fusion de cette substance. Pour une substance comme l’eau, les points de fusion et de congélation sont les mêmes, et nous utiliserons toujours une atmosphère comme pression standard. L’enthalpie standard de solidification est l’enthalpie standard de fusion avec un signe négatif. Ainsi, l’enthalpie standard de solidification de l’eau est négative, et ce processus est exothermique puisque la formation de liaisons intermoléculaires libère de l’énergie dans le milieu environnant. Il s'agit donc exactement du même processus, mais en sens inverse.

La variation d’enthalpie standard associée à une substance qui bout est appelée enthalpie standard de vaporisation. Une enthalpie standard de vaporisation est la variation d’enthalpie par mole de substance lorsque celle-ci bout dans des conditions de pression standard et au point d’ébullition de cette substance. La pression est d'une atmosphère, et le point d’ébullition dépend de la substance. L’enthalpie standard de vaporisation de l’eau est de 40,7 kilojoules par mole. Il s'agit encore d'un processus endothermique, parce que nous devons introduire de l’énergie afin de rompre les liaisons moléculaires. Voici l'équation chimique qui fait passer l’eau liquide en eau gazeuse à une atmosphère et à 100 degrés Celsius, soit le point d’ébullition de l’eau.

L’inverse de la vaporisation est la condensation. L'enthalpie standard de condensation correspond à la variation d’enthalpie par mole de substance lorsqu’une substance se condense dans des conditions de pression standard et au point d’ébullition de cette substance. La pression est d'une atmosphère. Le point d’ébullition dépend de la substance et est interchangeable avec le point de condensation, car ils sont identiques. L’enthalpie standard de condensation de l’eau est donc son enthalpie standard de vaporisation avec un signe négatif. Elle est donc de moins 40,7 kilojoules par mole. Il s'agit d'un processus exothermique, puisque de l’énergie est libérée lorsque des forces intermoléculaires se créent entre les molécules de gaz lors du passage de l'eau à l'état liquide. La température au cours de ce processus est maintenue constante à 100 degrés Celsius, soit le point d’ébullition de l’eau.

Il existe aussi des variations d’enthalpie associées à la sublimation et à la condensation solide, mais nous ne les étudierons pas dans le cadre de cette vidéo. Nous allons plutôt aborder brièvement les courbes de chaleur qui représentent l’une des façons de comprendre ce qu’est réellement la variation d’enthalpie associée à un changement d’état. Dans cet exemple, nous allons imaginer que nous chauffons l’eau et que nous mesurons sa température. Le point de fusion de l’eau est de zéro degré Celsius et, jusqu'à cette température, elle sera donc solide. Le point d’ébullition de l’eau est de 100 degrés Celsius et donc, entre zéro et 100 degrés Celsius, elle sera liquide. Au-dessus de 100 degrés Celsius, l'eau sera gazeuse.

Nous allons mesurer l'énergie par rapport à la quantité d’eau que nous avons en moles. Vous pouvez rencontrer certaines situations où on vous donne la masse ou le volume de l’eau, auquel cas vous devez calculer la quantité par mole en effectuant les calculs appropriés. Voici l'apparence de la courbe dans des circonstances idéales. Le chauffage de la glace ne nécessite pas beaucoup d’énergie, et donc la pente de cette section du graphique est très abrupte. Au point de fusion de la glace, l'énergie sert à rompre les forces moléculaires plutôt qu'à augmenter la température. La différence d’énergie en kilojoules par mole entre le début et la fin de cette section équivaut à l’enthalpie standard de fusion de l’eau.

Dans la section suivante, nous apporterons de l’énergie à l'eau liquide en la chauffant. Une fois que le point d’ébullition de l’eau est atteint, nous devons ajouter de l’énergie pour rompre les forces intermoléculaires entre les molécules d’eau afin de les faire passer à l'état gazeux. Nous pouvons alors calculer l’enthalpie standard de vaporisation de l’eau à partir de la longueur de cette section. À la fin de cette section, un apport supplémentaire en énergie contribuera à augmenter la température de la vapeur. Il existe différentes versions de ce graphique dans lesquelles certaines sections sont contractées ou étendues afin de les rendre plus faciles à lire.

Nous allons ensuite examiner les variations d’enthalpie associées à la dissolution des substances. Lorsqu’une substance se dissout dans un solvant, une variation d’enthalpie y est associée. Cette dernière s’appelle l’enthalpie standard de solution ou de dissolution. Deux appellations qui signifient la même chose. Lorsqu'une mole de chlorure de sodium se dissout dans l’eau à 25 degrés Celsius, la variation d’enthalpie est de 3,9 kilojoules. Pour le chlorure de sodium, la dissolution est un processus endothermique. Le processus global peut être décomposé en trois étapes distinctes ayant chacune des variations d’enthalpie associées. Au cours de la première étape, nous avons un cristal solide de chlorure de sodium et des molécules d’eau, et nous devons créer des espaces entre les molécules d’eau pour les ions sodium et chlorure. Ce qui nécessite de l’énergie. Nous pouvons inscrire comme premier Δ𝐻, la variation d’enthalpie pour ce processus endothermique.

Au cours de la deuxième étape, nous devons séparer le réseau cristallin en ions sodium et chlorure. Ce processus est également endothermique. Au cours de la troisième étape, nous regroupons les molécules d’eau et les ions sodium et chlorure en leur permettant de former des liaisons entre eux. Ce processus est exothermique. Pour le chlorure de sodium, la somme de toutes ces contributions énergétiques signifie que de l'énergie est globalement nécessaire. L’énergie libérée lorsque les molécules d’eau et les ions sodium et chlorure s’unissent ne suffit pas pour compenser l’énergie nécessaire à séparer les molécules d’eau dans le solvant, ainsi que les ions sodium et chlorure dans le réseau cristallin.

La définition complète de l'enthalpie standard de solution est la variation d’enthalpie lorsqu’une substance est dissoute dans un solvant pour former une solution infiniment diluée par mole de substance. Une solution infiniment diluée est un concept théorique qui n'implique pas d’interactions soluté-soluté. En pratique, il est impossible de le mesurer, et nous pouvons donc calculer une valeur à partir des données provenant de solutions existantes. Il existe également une enthalpie standard de dilution associée aux solutions existantes, lorsqu’elles passent de leur concentration actuelle à une forme infiniment diluée.

Lorsque nous dissolvons du chlorure d’hydrogène dans l’eau, la variation d’enthalpie associée à la formation d’une solution infiniment diluée est de moins 74,8 kilojoules par mole. Mais si, par exemple, nous avions une mole de HCl dissoute dans une mole d’eau, l’enthalpie de dilution serait seulement de moins 29,2 kilojoules par mole. Nous libérons donc la majorité de l’énergie lorsque nous produisons une solution concentrée, et le reste de l'énergie lors de la dilution infinie. L’enthalpie de dilution standard correspond donc à la variation d’enthalpie par mole de substance lorsqu’une solution d’une substance est infiniment diluée.

Nous avons ensuite la combustion. En brûlant complètement du méthane en présence d’oxygène à une atmosphère et à 25 degrés Celsius, la variation d’enthalpie est de moins 882,0 kilojoules par mole de méthane. L’enthalpie standard de combustion d’une substance représente la variation d’enthalpie par mole de substance lorsque celle-ci brûle complètement en présence d’oxygène dans des conditions standard de pression et de température. Nous supposons que les substances sont à leur état standard, sauf indication contraire. Le méthane, l’oxygène et le dioxyde de carbone sont gazeux, et l’eau est liquide. Rappelez-vous que nous supposons que la température reste constante, donc toute la chaleur générée au cours l’expérience sera libérée dans le milieu environnant, et nous aurons de l’eau liquide plutôt que de l’eau à l’état de gaz.

Le dernier type de variation d’enthalpie standard que nous allons examiner est l’enthalpie standard de formation. L'enthalpie standard de formation représente la variation d’enthalpie par mole de substance lors de la formation d'une substance dans des conditions standard, à partir de ses éléments que l'on assume être dans leur état standard respectif. Comme d’habitude, on suppose que la pression standard est d'une atmosphère et que la température standard est de 25 degrés Celsius. C’est de cette façon que nous pouvons écrire l’équation chimique de la formation du méthane. L’état standard du méthane à 25 degrés Celsius est gazeux, et il est composé d’atomes de carbone et d’hydrogène. L’état standard du carbone est le graphite solide, et l’état standard de l’hydrogène est le H2 gazeux. Nous aurons donc besoin de deux molécules de H2 pour chaque molécule de méthane.

L’enthalpie standard de formation du méthane est de moins 74,9 kilojoules par mole. Il s'agit d'un processus exothermique, ce qui signifie que le méthane est plus stable que ses éléments constitutifs à l'état standard. L’enthalpie de formation peut être endothermique, ce qui indique que le produit est moins stable que ses éléments constitutifs à l'état standard. Par définition, l’enthalpie standard de formation d’un élément déjà à l'état standard est de zéro. Après tout, s'il n'y a aucun changement, il ne peut pas y avoir de variation d’enthalpie.

Nous avons couvert beaucoup de contenu, alors prenons le temps d'examiner les points clés à retenir. Premièrement, une condition standard représente simplement toute condition pour laquelle nous avons une valeur conventionnée fixe, que nous pouvons utiliser pour effectuer des mesures. Par exemple, nous fixons généralement la pression à une atmosphère, la température à 25 degrés Celsius, et les concentrations à une mole par litre. Les conditions standard produisent souvent un état de référence, que nous appelons état standard pour une substance donnée. L'état standard est un état de référence convenu, généralement basé sur l’état de la substance à une atmosphère et à 25 degrés Celsius. Toute variation d’enthalpie standard est simplement une variation d’enthalpie établie dans des conditions standard de pression et de température avec des substances que l'on suppose être à l'état standard, sauf indication contraire. Nous l'exprimons par mole de substance, généralement en kilojoules par mole.

Nous avons des enthalpies standard de changement d'état : comme l'enthalpie standard de fusion lorsqu'une substance passe de l'état solide à liquide, et inversement de solidification ; et de vaporisation lorsqu'une substance passe de l'état liquide à gazeux, et inversement de condensation. Nous avons la variation d’enthalpie standard de solution, qui consiste à prendre une substance et à la diluer jusqu’à ce qu’elle soit infiniment diluée dans un solvant. Puis l’enthalpie standard de dilution, qui est la variation d’enthalpie lorsqu’une solution existante est infiniment diluée. Finalement, il y a l’enthalpie standard de combustion qui correspond à la variation d’enthalpie lorsqu'une substance réagit complètement en présence d’oxygène ; et l’enthalpie standard de formation, lorsqu'une substance est formée à partir de ses éléments à l'état standard.