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Lorsque 10 millilitres d’essence gèlent à moins 57 degrés Celsius, la quantité totale de chaleur transférée est d’environ un kilojoule. Cependant, 300 kilojoules de chaleur sont transférées lorsque le même volume d’essence est brûlé à température ambiante. Pourquoi la combustion entraîne-t-elle un transfert de chaleur plus important que la congélation ? (A) La congélation est exothermique, tandis que la combustion est endothermique. (B) Les liaisons brisées lors de la combustion sont plus faibles que celles rompues lors de la congélation. (C) Les liaisons formées lors de la combustion sont plus fortes que celles formées lors de la congélation. (D) La combustion se produit à une température plus élevée que la congélation. Ou (E) la congélation est endothermique, tandis que la combustion est exothermique.
Le but de cette question est de comparer la différence de transfert de chaleur entre les deux processus, la combustion et la congélation, plus précisément pour élucider la raison pour laquelle la combustion d’essence présente un transfert de chaleur plus important que la congélation lorsque des volumes égaux pour chaque processus sont considérés. Pour simplifier les informations pertinentes fournies, utilisons ce tableau car il résume les informations dont nous aurons besoin pour répondre à la question.
Dans cette question, nous comparons deux quantités différentes d’énergie, un kilojoule de chaleur transférée lors de la congélation de 10 millilitres d’essence et 300 kilojoules de chaleur transférée lors de la combustion de 10 millilitres d’essence. Notez que le type de substance et la quantité sont les mêmes, les principales différences étant le processus qu’ils subissent et la quantité de chaleur qui a été transférée. La question est de savoir pourquoi les valeurs de chaleur transférée sont très différentes sachant que nous avons affaire à la même substance et au même volume d’essence pour chaque processus. Pour comprendre cela, discutons brièvement de chaque processus.
Alors que, en réalité, l’essence est un mélange complexe d’hydrocarbures en C4 à C12 soit de composés contenant des atomes d’hydrogène et de carbone ainsi que des additifs pour améliorer les performances du carburant, dans le but d’illustrer les différences entre les deux processus, nous utiliserons l’hydrocarbure le plus simple, le méthane, comme molécule représentative. Le processus de combustion, comme la réaction de combustion du méthane, implique des substances réagissant avec l’oxygène. Plus précisément, l’énergie est fournie de telle sorte que les liaisons covalentes qui maintiennent ensemble les atomes de carbone et d’hydrogène dans le méthane et les liaisons covalentes qui maintiennent ensemble les atomes d’oxygène sont brisées afin que les atomes de carbone, d’oxygène et d’hydrogène se réunissent pour former de nouvelles liaisons covalentes ce qui conduit à la formation de nouveaux produits, le dioxyde de carbone et l’eau.
Les liaisons covalentes formées dans les produits sont plus fortes que les liaisons covalentes rompues dans les réactifs, ce qui signifie que les produits auront une énergie potentielle chimique inférieure à celle des réactifs et seront donc plus stables. Cela entraînera un dégagement d’énergie ou de chaleur de la réaction dans l’environnement et c’est pourquoi les réactions de combustion sont de bons exemples de réactions exothermiques. Nous voyons également des dégagements d’énergie lors de changements d’état ou de changements de phase, comme dans le processus physique de congélation où les substances en question passent d’un état d’énergie plus élevé, connu sous le nom de phase liquide, à un état physique de faible énergie, connu comme phase solide.
En utilisant le méthane comme molécule représentative de l’essence, lors de la congélation, les forces intermoléculaires entre les molécules de méthane à l’état solide sont plus fortes que les forces intermoléculaires entre les molécules de méthane à l’état liquide. Du fait que les molécules de méthane passent d’un état physique d’énergie supérieure, également appelé état liquide, à un état physique d’énergie inférieure, appelé état solide, une petite quantité d’énergie sous forme de chaleur est libérée vers les environs, ce qui classe la congélation comme un processus exothermique. La combustion et la congélation étant tous deux classés comme des processus exothermiques, nous pouvons éliminer les réponses (A) et (E), qui indiquent à tort que la combustion ou la congélation est endothermique.
En outre, bien qu’il soit probable que la combustion se produise à une température plus élevée que la congélation, cela ne nous aide pas à comparer les quantités d’énergie transférées. Ainsi, nous pouvons également éliminer le choix de réponse (D). En comparant les choix de réponse (B) et (C), il convient de faire une distinction principale lorsqu’il s’agit de déterminer la signification de rupture ou de formation de liaisons en ce qui concerne la combustion et la congélation. Bien que nous ayons mentionné que la combustion et la congélation sont des processus exothermiques, la manière dont l’énergie ou la chaleur est libérée de chaque processus provient d’une source différente. Dans les choix de réponse (B) et (C), il est mentionné que les liaisons sont rompues et se forment lors de la combustion.
Cela est vrai parce que la combustion, en tant que réaction chimique, implique la rupture de liaisons covalentes dans les molécules de réactifs et la formation de nouvelles liaisons covalentes dans les produits. Plus spécifiquement, les liaisons covalentes sont un type de force intramoléculaire, ce qui signifie que la combustion implique la rupture et la formation de forces intramoléculaires. Il est également mentionné dans les choix de réponse (B) et (C) que les liaisons sont rompues ou que des liaisons se forment au cours du processus de congélation. Comme nous l’avons dit précédemment, dans un processus physique tel que la congélation, seules les forces intermoléculaires sont brisées et reformées, tandis que les forces intramoléculaires, ou les forces qui maintiennent les atomes ensemble dans les molécules de méthane, ne sont pas brisées ou formées pendant le processus de congélation. En conséquence, les forces intermoléculaires sont les liaisons désignées comme étant rompues ou formées lors du processus de congélation.
Cela étant dit, la combustion et la congélation étant toutes deux un processus exothermique, nous savons que les produits de la réaction de combustion et le produit du processus de congélation ont des liaisons ou des forces plus fortes que les réactifs. Ainsi, nous pouvons éliminer le choix de réponse (B). La raison pour laquelle l’option (C) est la réponse est que si plus d’énergie est libérée lors de la combustion de l’essence, alors le même volume étant gelé, nous savons que les liaisons formées dans les produits de combustion sont plus fortes que celle du produit formé lors de la congélation.
Cela a du sens parce que les forces intramoléculaires, comme celles formées dans les produits de combustion, sont plus fortes que les forces intermoléculaires, comme celles formées entre les molécules lors de la congélation. Alors, pourquoi la combustion entraîne-t-elle un plus grand transfert de chaleur que la congélation ? La réponse est (C). Les liaisons formées lors de la combustion sont plus fortes que celles formées lors de la congélation.
