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Vidéo de la leçon : Mesurer les variations d’enthalpie Chimie

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à réaliser les expériences de calorimétrie, et à utiliser les résultats pour calculer la variation d’enthalpie au cours d’une réaction chimique.

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Transcription de vidéo

L’énergie joue un rôle très important en chimie. Nous savons que les choses ont de l’énergie, mais comment la mesurer ? Dans cette vidéo, nous allons apprendre à mesurer les changements d’énergie en réalisant des expériences de calorimétrie. Nous allons voir comment mettre en place ces expériences et comment utiliser les résultats pour calculer la variation d’enthalpie d’une réaction chimique.

La plupart des réactions chimiques dégagent ou absorbent de l’énergie lorsqu’elles se produisent. De l’énergie est libérée lorsqu’une liaison chimique est formée, et absorbée lorsqu’une liaison chimique est rompue. En dehors du laboratoire de chimie, si par exemple on connaît la quantité d’énergie obtenue en brûlant du carburant, on peut trouver jusqu’où on pourrait aller en voiture. Et la quantité d’énergie qui se trouve dans les aliments que nous mangeons est indiquée sur les étiquettes nutritionnelles. Dans de tels cas, on peut utiliser les résultats d’expériences de calorimétrie pour mesurer l’énergie.

Plus précisément, on ne peut pas réellement mesurer la quantité d’énergie contenue dans quelque chose, mais on peut mesurer la variation d’énergie résultant d’un processus, en déterminant la quantité de chaleur qui entre ou sort d’un système. Disons que nous voulons savoir combien d’énergie notre corps gagnerait en mangeant une assiette de frites. On ne peut pas simplement connecter une sonde aux frites pour déterminer la quantité d’énergie qu’on pourrait obtenir. Mais ce qu’on peut faire, c’est déterminer combien d’énergie les frites dégagent à la suite d’un processus qui les consomme complètement.

Donc, ce qu’on peut faire, c’est enflammer les frites et les laisser brûler. En brûlant, les frites dégagent une certaine quantité de chaleur qu’on peut mesurer. Et ensuite, une fois qu’on connaît la quantité de chaleur, on peut déterminer la quantité d’énergie qui doit avoir été présente dans les frites.

Pour mesurer de tels changements d’énergie, nous devons établir certaines choses. Tout d’abord, nous avons besoin d’un moyen pour contrôler précisément l’environnement. Après tout, nous sommes des scientifiques et nous voulons des résultats précis. Si on brûle les frites dans une pièce ouverte, on ne peut jamais être sûr de la quantité de chaleur dégagée dans l’environnement. Ensuite, le plus facile, c’est de mesurer des quantités telles que la masse d’un objet, sa température, son volume, sa pression ou d’autres propriétés similaires. Nous avons donc besoin d’une façon de déterminer la chaleur en fonction de propriétés faciles à mesurer. Penchons-nous en premier sur ce deuxième point.

Par expérience, nous savons que la quantité de chaleur est liée aux variations de température. Par exemple, si on retire de la chaleur à quelque chose, sa température diminue. Et si on ajoute de la chaleur à quelque chose, sa température augmente. Mais la chaleur semble aussi être liée au type de matériau en question. Pendant une chaude journée, une piscine peut avoir une température très agréable, alors qu’un banc en métal sera trop chaud pour s’y assoir. Ceci est dû au fait que différents objets ont des capacités thermiques spécifiques différentes, c'est-à-dire la quantité de chaleur nécessaire pour modifier d’un degré Celsius la température d’un gramme d’une substance.

Voici les capacités thermiques spécifiques de quelques substances courantes. En regardant cette liste, on peut voir que les métaux, comme l’acier et le cuivre, ont une capacité thermique spécifique relativement faible, alors que l’eau, au contraire, a une capacité thermique spécifique élevée. C’est pourquoi la température de l’eau peut être agréable pendant une journée chaude, alors que celle du banc en métal ne l’est pas. Il faut plus d’énergie pour modifier la température de l’eau que celle du métal.

En examinant cette formule de la capacité spécifique thermique, on peut remarquer qu’il est facile de la réorganiser pour trouver la quantité de chaleur, en multipliant les deux côtés par la masse et le changement de température. C’est donc cette formule que nous utiliserons dans les expériences de calorimétrie pour calculer la quantité de chaleur qui a été transférée dans l’environnement lors de notre expérience. Cette équation nous dit que si on mesure la variation de température résultant du processus, et qu’on a mesuré la masse avant l’expérience, alors, tant qu’on connaît sa capacité thermique spécifique, qu’on peut facilement rechercher, on peut déterminer la quantité de chaleur dégagée lors de ce processus.

Ici, les quantités positives de chaleur correspondent à un gain de chaleur, et les quantités négatives de chaleur correspondent à une perte de chaleur. Donc, nous avons cette équation qui nous dit qu’on peut calculer la quantité de chaleur absorbée ou libérée lors d’un processus, en mesurant la variation de température. Alors maintenant, nous avons juste besoin d’un dispositif expérimental qui nous permettra de faire ces mesures. Pour effectuer des expériences de calorimétrie, il existe deux méthodes principales. Toutes deux emploient des appareils appelés calorimètres. L’une est réalisée dans des conditions de pression constante, et l’autre dans des conditions de volume constant.

Intéressons-nous d’abord aux calorimètres à pression constante. La première chose dont nous aurons besoin est un récipient qui soit un bon isolant, car nous ne voulons pas qu’une grande partie de la chaleur s’échappe dans l’environnement. Nous voulons qu’elle soit piégée dans le récipient dans lequel la réaction se produit. Parmi d’autres récipients isolants plus sophistiqués, une tasse en polystyrène fera parfaitement l’affaire. C’est un bon isolant facile à utiliser. Nous pouvons encore améliorer les qualités isolantes de la tasse en polystyrène en en empilant deux.

Étant donné que cette expérience peut être effectuée dans une tasse en polystyrène, on trouve parfois l’appellation calorimètre tasse de café. Le récipient est ensuite rempli d’eau et muni d’un couvercle isolant avec un trou pour faire passer un thermomètre et un agitateur. Pour effectuer l’expérience, on place l’échantillon à l’intérieur du récipient, et on agite avec l’agitateur pour que la chaleur soit répartie dans l’eau de manière uniforme. On mesure ensuite la variation de température.

Puisque l’échantillon est plongé dans l’eau dans ce type d’expériences de calorimétrie, ce type d’expérience est surtout approprié pour mesurer le changement énergétique associé à une réaction aqueuse, ou l’énergie impliquée dans la dissolution d’un sel ou d’une autre substance dans l’eau. On pourrait aussi utiliser cette expérience pour déterminer la capacité thermique spécifique d’un matériau, en chauffant ce matériau, en le plaçant dans le récipient et en calculant la variation de température lorsqu’il se refroidit.

Nous faisons bien sûr certaines hypothèses lorsque nous effectuons cette expérience. Nous supposons que la température maximale que nous lisons reflète avec précision la quantité de chaleur dégagée durant le processus. Nous supposons aussi qu’aucune chaleur ne s’échappe du calorimètre. Et nous supposons aussi qu’aucune chaleur n’est absorbée par le calorimètre lui-même. Mais en réalité, une petite quantité de chaleur sera absorbée par le thermomètre, l’agitateur, le couvercle et le récipient lui-même. Toutes ces hypothèses laissent supposer que l’énergie calculée à la suite d’une expérience de calorimétrie sera inférieure à l’énergie réellement dégagée lors du processus.

Passons maintenant au calorimètre à volume constant ou de combustion. Comme le nom l’indique, nous allons brûler des choses lors de ces expériences de calorimétrie. Ce type de calorimètre est donc utile pour les réactions de combustion où on brûle des choses comme du carburant. Et ce calorimètre est également adéquat pour effectuer l’expérience avec les frites dont nous avons parlé au début de la vidéo.

Pour ce type de calorimètre, on a aussi un récipient isolant rempli d’eau, muni d’un couvercle avec un thermomètre et un agitateur. Mais cette fois, comme on brûle l’échantillon, on ne le met pas dans l’eau. On a donc un porte-échantillon, qui contient l’échantillon plus de l’oxygène gazeux, nécessaire aux réactions de combustion. Parce que l’échantillon est enflammé à l’intérieur du porte-échantillon, celui-ci est souvent appelé bombe calorimétrique, nom qui se réfère parfois au calorimètre dans son ensemble.

Enfin, on a besoin d’un moyen pour enflammer l’échantillon, ce qui est généralement déclenché de manière électrique en utilisant un boîtier d’allumage qui envoie une charge électrique vers cette bombe. Pour lancer cette expérience, on enflamme l’échantillon à l’aide du boîtier d’allumage, et la réaction de combustion qui en résulte fait entrer de la chaleur dans l’eau. On prend soin de remuer l’agitateur tout au long de l’expérience pour nous assurer que cette chaleur est transférée de manière uniforme dans l’eau, puis on mesure la variation de température.

Nous émettons ici les hypothèses que la température maximale reflète la quantité de chaleur dégagée, et qu’aucune chaleur ne s’échappe du calorimètre dans l’environnement. Contrairement au cas du calorimètre à pression constante, la capacité thermique spécifique du calorimètre à volume constant est généralement connue. Et on peut inclure dans nos calculs la quantité de chaleur absorbée par le calorimètre.

Maintenant que nous avons appris à mettre en place et à effectuer des expériences de calorimétrie, voyons comment calculer la variation d’énergie lors d’une réaction chimique, à partir des résultats de ces expériences. La première chose que nous allons faire est d’utiliser le changement de température noté lors de l’expérience, ainsi que la masse d’eau qui se trouvait dans notre calorimètre, pour calculer la quantité de chaleur qui a été absorbée par l’eau. Cette quantité de chaleur absorbée par l’eau est la même que la quantité de chaleur dégagée par la réaction, mais de signe opposé, sachant que si l’eau a absorbé une certaine quantité de chaleur, cela signifie que le système a perdu cette même quantité de chaleur. Et à l’inverse, si le système a gagné une certaine quantité de chaleur, cela signifie que l’eau a perdu cette même quantité de chaleur.

Cependant, le signe ici n’est pas forcément important si la seule chose qui nous intéresse est de calculer la chaleur dégagée par la réaction, puisqu’on ne regarde généralement que la quantité de chaleur. Mais si c’est l’énergie qui nous intéresse, il faudra tenir compte du signe, puisqu’une variation négative de l’enthalpie correspond à une réaction exothermique et une variation positive de l’enthalpie correspond à une réaction endothermique, et il ne faudrait donc pas se tromper dans les signes.

Dans une expérience de calorimétrie à pression constante, la variation de l’enthalpie résultant d’une réaction sera égale à la chaleur que celle-ci dégage. Mais le calcul de la variation d’énergie dans une expérience de calorimétrie à volume constant nécessite une connaissance plus approfondie des lois de la thermodynamique, car la chaleur dégagée lors d’un processus à volume constant n’est pas égale à une variation d’enthalpie mais plutôt à une variation d’énergie interne, ce qui est simplement une façon différente d’exprimer l’énergie d’un système. Mais heureusement, en chimie, on s’intéresse plutôt à la quantité de chaleur dégagée lors de processus tels que des réactions aqueuses. Nous allons donc surtout nous concentrer sur les résultats d’expériences de calorimétrie à pression constante, où la quantité de chaleur dégagée est égale à la variation d’enthalpie.

Entraînons-nous maintenant à utiliser des résultats d’expériences de calorimétrie pour effectuer des calculs.

Lors d’une expérience, on a constaté qu’une réaction provoquait un changement de température de 15 degrés Celsius pour 80 grammes d’eau. Quelle est la valeur en joules de l’énergie thermique transférée lors de cette réaction ? Utilisez une valeur de 4,2 joules par gramme par degré Celsius pour la capacité thermique spécifique de l’eau.

L’expérience dont il est question dans cet exercice est très probablement une expérience de calorimétrie. Les expériences de calorimétrie sont réalisées dans des appareils appelés calorimètres, et leur objectif est souvent de trouver le changement d’énergie associé à un processus. Pour réaliser une expérience de calorimétrie, on place l’échantillon, ici les réactifs, à l’intérieur du calorimètre, et l’échantillon dégagera de la chaleur qui sera absorbée par l’eau. On peut ensuite mesurer la variation de température de l’eau pour calculer la quantité de chaleur dégagée par la réaction, et c’est ce qu’on nous demande de calculer dans cette question.

On peut calculer la quantité de chaleur transférée en utilisant les résultats d’une expérience de calorimétrie grâce à cette formule, qui nous indique que la chaleur est égale à la masse multipliée par la capacité thermique spécifique multipliée par le changement de température. On peut calculer la quantité de chaleur transférée lors d’une réaction à l’aide d’un calorimètre en utilisant le changement de température de l’eau, car la quantité de chaleur dégagée par la réaction est égale à la quantité de chaleur absorbée par l’eau.

Le problème nous dit que nous avons 80 grammes d’eau, et que la capacité thermique spécifique est de 4,2 joules par gramme par degré Celsius. On nous indique aussi que la variation de température est de 15 degrés Celsius. Nous remarquons que les unités s’annulent pour nous donner des unités en joules, ce qu’on nous demande dans ce problème. Et en multipliant le tout, nous trouvons que 5040 joules de chaleur ont été transférés lors de cette réaction.

Le but des expériences de calorimétrie est en général de calculer la variation d’énergie résultant d’une réaction. Dans des conditions de pression constante, la variation d’énergie sera égale à la chaleur calculée. Mais ce problème ne nous donne pas suffisamment d’informations pour déterminer cela, car on ne nous dit pas si le changement de température est une augmentation ou une diminution. Donc, la variation d’énergie pourrait être de 5040 joules ou de moins 5040 joules. Etant donnée la quantité d’informations, nous voulons juste être sûrs. Mais ici, on ne nous demande pas le changement d’enthalpie ; il s’agit juste de déterminer la quantité d’énergie thermique qui a été transférée lors de cette réaction, qui est de 5040 joules.

Maintenant, nous avons fait le tour des expériences de calorimétrie, et de façons de les utiliser pour mesurer des changements d’énergie. Alors résumons avec les points clés. Les expériences de calorimétrie peuvent être utilisées pour mesurer des changements d’énergie. Il existe deux types de calorimètres : les calorimètres à pression constante et les calorimètres à volume constant ou à combustion. Dans les deux types d’expériences de calorimétrie, la variation d’énergie de l’échantillon ou de la réaction entraîne un transfert de chaleur vers l’eau du récipient calorimétrique, ce qui entraîne une augmentation de la température qu’on peut mesurer à l’aide d’un thermomètre. Et on peut utiliser cette formule pour relier ce changement de température à une quantité de chaleur.

Et avec les expériences de calorimétrie à pression constante, on peut relier un changement d’enthalpie à la quantité de chaleur transférée. Cependant, l’énergie mesurée lors de ces expériences sera toujours inférieure à la variation d’énergie réelle d’une réaction, car un peu de chaleur sera perdue dans l’environnement, bien que cela puisse être minimisé en améliorant les qualités isolantes du calorimètre.

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