Transcription de la vidéo
Dans cette vidéo, nous allons étudier les différents types d’énergie, et voir comment ces dernières sont impliquées dans la formation et la rupture des liaisons chimiques, ainsi que dans les réactions chimiques..
Tout d’abord, voyons ce qu’est l’énergie. L’énergie, c’est une chose curieuse. Le mot «énergie», c’est comme une monnaie. Il ne suffit pas d’avoir de l’argent dans la dans sa poche. Ce doit être une monnaie d’un certain type, comme le dollar, la livre sterling, le yen, ou toute autre. Même si c’est de l’argent, il n’existe pas une seule monnaie, tout comme il n’y a pas un seul type d’énergie. Mais nous utilisons le mot «énergie» quand nous parlons de plusieurs types d’énergie, ou quand nous ne sommes pas sûrs du(des) type(s) d’énergie auxquel(s) nous avons affaire.
Cependant, tous les types d’énergie peuvent être mesurés en joule, qui est l’unité de mesure de l'énergie de référence selon le système international d'unités. Il faut environ 4,2 joules d’énergie pour augmenter la température d’un millilitre d’eau (soit un centimètre cube), d’un degré Celsius. Contrairement aux monnaies, l’énergie ne peut être ni créée ni détruite. Néanmoins, l’énergie sous une forme peut être convertie sous une autre forme, tant que la quantité totale reste la même. En termes de devises, imaginez que la valeur ne change jamais, même lorsque vous échangez vos dollars contre des yens.
Il existe différents types et groupes d’énergie, beaucoup trop pour parler de tous dans cette vidéo. C’est pourquoi, je vais seulement vous parler ici de ceux qui sont particulièrement utiles aux chimistes.
Il y a l’énergie nucléaire, qui provient de la liaison entre des protons et des neutrons. Puis, il y a ce que nous appelons l’énergie chimique, que nous obtenons de l’attraction entre les électrons et les protons, et tout ce à quoi elle conduit : les liaisons ioniques, covalentes et métalliques. À la base de tout cela se trouve l’attraction électrostatique entre les charges positives et négatives.
Dans la catégorie énergie chimique, nous pouvons également inclure l’énergie électrique, bien qu’on la mette souvent à part. Et puis il y a l’énergie cinétique, qui est l’énergie que possède un objet lorsqu’il se déplace par rapport à un autre objet. Nous pouvons imaginer l’énergie cinétique des gros objets, comme l’énergie cinétique des particules individuelles.
Et puis nous avons ce que nous appelons l’énergie thermique, communément appelée chaleur. L’énergie cinétique, les rotations ou les vibrations peuvent être impliquées. Plus un objet possède d’énergie thermique, plus il est chaud. Puis, nous avons aussi l’énergie sous forme de «paquets de particules» ou photons de lumière. Puis nous avons l’énergie sonore, qui nécessite beaucoup d’énergie cinétique. Et l’énergie gravitationnelle, provenant de la force d’attraction entre la masse des objets. C’est grâce à la force de gravité entre un objet et la Terre qui nous pouvons mesurer la masse de l’objet. Et puis il y a l’énergie magnétique, que nous observons entre les pôles d’un aimant. Dans certains systèmes, l’énergie magnétique apporte sa contribution à l’énergie chimique, mais nous ne le verrons pas en détails.
Pour le magnétisme, je vais utiliser une analogie qui vous aidera à comprendre l’énergie chimique. Ici, nous avons deux aimants. Si nous les maintenons en place (avec les pôles opposés), ils s’attireront l’un à l’autre, et il se créera de l’énergie potentielle magnétique. Si nous les lâchons, cette énergie potentielle magnétique se transforme premièrement en énergie cinétique, lorsque les aimants accélèrent et se rapprochent l’un de l’autre. Quand ils entrent en collision, cette énergie cinétique accumulée est convertie en énergie thermique entre l’air et les aimants, et en énergie sonore. Tout au long de ce processus, l’énergie totale reste la même; seuls les types d’énergie ont été convertis.
C’est exactement le même principe qui s’applique aux réactions chimiques. Quand des électrons et des protons se rassemblent, l’énergie potentielle chimique due à leur attraction électrostatique est convertie en énergie cinétique lorsqu’ils s’accélèrent et se rapprochent. Quand ils se rencontrent, toute cette énergie cinétique doit être convertie en une autre forme d’énergie. Sinon, ils se sépareraient à nouveau. En général, ils entrent en collision avec autre chose, et libèrent une partie de leur énergie. Collisions après collisions, l’énergie est dispersée sous forme d’énergie cinétique chaotique, ce que nous appelons énergie thermique ou chaleur, bien que dans certains cas les réactions chimiques produisent également d’autres formes d’énergie.
Voyons maintenant comment cela s’applique à la formation et à la rupture de liaisons chimiques. Ici, nous voyons deux atomes formant une seule liaison covalente. Lorsque des liaisons chimiques se forment, l’énergie chimique (un type d’énergie potentielle), est convertie en énergie thermique, en son, en lumière, etc. Ici, nous voyons cette même liaison être rompue. Nous pouvons également faire l’inverse et introduire de l’énergie pour rompre les liaisons.
Lorsque nous établissons des liaisons, l’énergie libérée suite à la conversion de l’énergie chimique en d’autres formes d’énergie doit être transférée dans le milieu environnant. Mais pour rompre des liaisons, le système a besoin d’énergie provenant de son environnement. On entend souvent les gens dire que les liaisons chimiques stockent de l’énergie, mais ceci n’est pas correct. Lorsque des liaisons chimiques se forment, des formes d’énergie non chimiques sont libérées. Et lorsque des liaisons chimiques sont rompues, d’autres formes d’énergie sont converties en énergie potentielle chimique. C’est un peu comme soulever un livre du sol au-dessus de votre tête. L’énergie que vous dépensez pour soulever le livre a été convertie en énergie potentielle gravitationnelle. L’énergie potentielle est simplement prête à être libérée par la formation de liaisons, ou en laissant tomber le livre.
Quand vous pensez à un système chimique, il peut être difficile de considérer toutes les formes d’énergie présentes: l’énergie potentielle chimique, l’énergie thermique, les électrons excités, la lumière. Mais les chimistes ont un moyen de les regrouper pour que cela soit plus simple.
Très souvent, la forme d’énergie importe peu. La quantité est la seule chose qui compte. On utilise le mot enthalpie, pour nommer la somme de toutes les formes d’énergie présentes dans un système chimique, et a pour symbole 𝐻. Par souci de commodité, on omet généralement certaines formes d’énergie, comme la gravitation et l’énergie nucléaire. Pour la grande majorité des systèmes chimiques, l’énergie chimique et l’énergie thermique représentent presque la totalité de l’enthalpie, tandis que la lumière et le son sont relativement insignifiants.
Donc, pour faire simple, on peut considérer l’enthalpie du système, comme l’énergie potentielle chimique plus l’énergie thermique. Bien que d’autres facteurs entrent en ligne de compte, on considère en général que les systèmes ont tendance à adopter une enthalpie plus faible. Imaginez un système ayant une enthalpie supérieure à son milieu environnant. On s’attend généralement à ce que les enthalpies s’égalisent par transfert d’énergie. On peut voir cela comme ajouter ou soustraire de l’enthalpie. Les changements d’enthalpie impliquent généralement le déplacement d’énergie thermique entre le système et l’environnement. C’est pour cela que l’on décrit souvent l’enthalpie comme le contenu thermique d’un système, car même si une grande partie de l’enthalpie provient de l’énergie potentielle chimique, on considère que l’enthalpie se déplace comme de la chaleur.
Bien, mais tout ceci reste très théorique. Prenons un exemple.
Voici la décomposition du carbonate de calcium qui produit de l’oxyde de calcium et du dioxyde de carbone. Cette réaction est le pivot de l’industrie de la construction, l’oxyde de calcium étant un ingrédient principal du ciment. Il est produit à partir de calcaire, qui est principalement du carbonate de calcium.
Si on examinait l’enthalpie du système après le transfert de chaleur vers et depuis les milieux environnants, on trouverait quelque chose d’intéressant. L’enthalpie des produits est de faite supérieure à l’enthalpie des réactifs. De fait, on doit injecter 178 kilojoules d’énergie par mole de carbonate de calcium à décomposer. C’est parce que les liaisons dans les produits sont plus faibles que les liaisons des réactifs. La réaction est en partie conduite par le gaz carbonique qui, par le simple fait qu’il s’échappe, l’empêche de réagir à nouveau avec un oxyde de calcium pour reformer un carbonate de calcium plus stable.
Mais on pourrait faire encore plus simple. L’enthalpie exacte des réactifs et des produits ne nous intéresse pas vraiment. Tout ce qui nous intéresse, c’est la différence d’enthalpie ou le changement d’enthalpie. On le symbolise par Δ𝐻, où Δ indique simplement un changement dans ce qui suit.
Si le changement d’enthalpie est positif, alors l’enthalpie du système a augmenté. On appelle ce type de réaction, une réaction endothermique, car de l’énergie est absorbée de l’environnement, ce qui généralement diminue sa température. C’est exactement le contraire qui se produit lorsque l’on fait brûler un carburant tel que le méthane ou le butane. Dans ces réactions, les liaisons dans les produits sont généralement plus fortes que les liaisons dans les réactifs. L’enthalpie des produits est donc plus faible. Cela signifie que le changement d’enthalpie du système est négatif. Une variation négative de l’enthalpie indique que l’enthalpie du système a diminué à cause de la réaction et de la perte d’énergie dans l’environnement. C’est ce que l’on appelle une réaction exothermique, car ce type de réaction entraine généralement une augmentation de la température de l’environnement.
Vous pourrez voir les réactions endothermiques écrites ainsi, où l’énergie est un terme de l’équation. Si c’est à gauche, alors on injecte de l’énergie. C’est un processus endothermique. Mais si l’énergie est située sur la droite, cela signifie que la formation des produits libère de l’énergie. On a alors affaire à un changement négatif de l’enthalpie, et à une réaction exothermique.
Donc, pour en revenir à notre exemple, vous pouvez voir le changement d’enthalpie écrit comme énergie à gauche pour la décomposition du carbonate de calcium. Cela signifie que le changement d’enthalpie est positif, de 178 kilojoules par mole de carbonate de calcium, car le coefficient stœchiométrique du carbonate de calcium est de un. Nous pouvons lire chaque coefficient en moles. L’équation entière devient donc : une mole de carbonate de calcium plus 178 kilojoules réagissent pour former une mole d’oxyde de calcium plus une mole de dioxyde de carbone.
Nous allons maintenant examiner dans quelles conditions on mesure les changements d’enthalpie. Il est très difficile de mesurer l’enthalpie directement, car de nombreux facteurs entrent en jeu. Au lieu de cela, on mesure plutôt les changements d’enthalpie en examinant combien de chaleur sort ou entre dans cours chaque réaction spécifique. Mais les changements d’enthalpie ne sont pas toujours cohérents. Ils peuvent changer en fonction des conditions. C’est pourquoi les scientifiques se sont entendus sur certaines conditions afin que les changements d’enthalpie soient tous mesurés de la même manière.
Lorsque l’on utilise ces conditions, on ajoute ce caractère pour indiquer que la mesure a été effectuée dans des conditions standard. On l’ajoute généralement en haut à droite de la mesure pertinente, par exemple, Δ𝐻 ⦵.
Les conditions standard sont sous une pression de un bar, bien que dans tous les manuels on trouve une atmosphère. Une atmosphère équivaut à 1.01325 bar. Lorsque les mesures sont prises sous conditions standards, il est essentiel d’indiquer la température. Dans les conditions standards, on prend habituellement une température de 25 degrés Celsius ou 298,15 Kelvin. On arrondi généralement à 298 Kelvin. Et lorsque les mesures impliquent des solutés, ils doivent être à une concentration molaire de un.
Ces conditions signifient que les changements d’enthalpie standard doivent être mesurés sous pression constante. Si la pression change, d’autres changements d’énergie doivent être pris en compte. Et lors de mesures effectués dans les conditions standards, on suppose que les produits chimiques sont dans leur état standard. Mais qu’est-ce que cela signifie?
Étant donné que les enthalpies sont difficiles à mesurer directement, les scientifiques ont mis au point un système spécial dans lequel chaque substance chimique a un état, qui est son point zéro, à partir duquel on pourra observer les changements d’enthalpie. C’est plus compliqué que ça en a l’air. En gros, on choisit un point de référence contre lequel mesurer, et on garde le même pour chaque substance chimique et chaque élément. Plutôt que de mesurer toutes les enthalpies possibles pour chaque substance chimique, on a juste des valeurs standard que nous utilisons comme références pour se situer soit au-dessus, soit en dessous. On fait ensuite la somme des différences pour toute la réaction.
Pour la plupart des produits chimiques, l’état standard est simple. Il s’agit de l’état typique de ce produit chimique sous une pression de 1 bar et à 25 degrés Celsius, bien que pour les produits chimiques instables dans ces conditions, on choisira un état de référence individuel pour chacun d’entre eux. Par exemple, l’état standard de l’eau (H2O) est liquide, car l’eau est un liquide à une bar et à 25 degrés Celsius. Pour certains éléments, le choix de l’état standard est plus compliqué, car certains éléments ont plus d’une forme ou allotrope. Pour ces éléments, il suffit de se rappeler quel est leur état standard.
Le carbone a de nombreuses allotropes, comme le graphite, le diamant et les fullerènes. Et ils ont tous des enthalpies légèrement différentes. Donc, pour le carbone, l’état standard est défini comme étant le graphite. Dans les équations, à proprement parler, on doit indiquer ceci comme du carbone sous forme de graphite solide, car carbone solide n’est pas assez spécifique. Il existe d’autres éléments possédant des allotropes, mais le carbone est celui qui apparaît le plus souvent. Pour la plupart des autres éléments, l’état standard est le seul état dans lequel on les trouve normalement dans ces conditions, tel le gaz hydrogène (H2), l’oxygène (O2) et le sodium solide sous sa forme métallique. Donc après tout cela, je pense qu’il est temps de s’entraîner un peu.
Laquelle des affirmations suivantes ne décrit pas la conservation de l’énergie dans une réaction chimique ? (A) Lors d’une réaction chimique, l’énergie n’est ni créée ni détruite. (B) Si l’énergie d’un système augmente, alors l’énergie environnante diminue exactement de la même quantité. (C) L’énergie peut seulement être transférée d’une forme à une autre. (D) Si l’énergie d’un système diminue, alors l’énergie environnante augmente exactement de la même quantité. Ou (E) L’énergie contenue dans les liaisons des molécules de réactifs est toujours égale à l’énergie contenue dans les liaisons des molécules de produits.
On nous demande d’identifier la seule affirmation sur les cinq qui ne décrit pas la conservation de l’énergie dans une réaction chimique. La loi de conservation de l’énergie peut être énoncée ainsi : l’énergie ne peut être ni créée, ni détruite. Mais l’énergie peut être convertie entre ses différentes formes, comme l’énergie thermique, le son, la lumière et l’énergie potentielle chimique.
La première affirmation nous dit que l’énergie n’est ni créée ni détruite lors d’une réaction chimique. C’est parfaitement vrai. Et en fait, cela ne s’applique pas seulement aux réactions chimiques. C’est une loi universelle. Cela décrit bien la conservation de l’énergie dans une réaction chimique et donc, ce n’est pas la bonne réponse.
La deuxième affirmation nous dit que si l’énergie d’un système augmente, alors l’énergie environnante diminue exactement de la même quantité. On suggère ici que si l’énergie du système augmente, c’est qu’il puise cette énergie dans l’environnement. Ainsi, le niveau d’énergie de l’environnement doit baisser. Il s’agit d’une application de la loi de la conservation de l’énergie. L’énergie totale doit être constante. Donc, cette affirmation est vraie. Dans l’univers tout entier, il n’a que le système et le milieu environnant. Et l’énergie totale de l’univers doit être constante. On peut remplacer le terme énergie par enthalpie quand il se rapporte au système, et c’est toujours vrai.
La troisième affirmation nous dit que l’énergie ne peut être transférée que d’une forme à une autre, par exemple, la conversion de l’énergie électrique en chaleur et lumière dans une ampoule de tungstène. Cela colle parfaitement avec notre loi de la conservation. L’énergie ne peut être transférée ou convertie que d’une forme à une autre.
L’affirmation (D) nous dit que si l’énergie d’un système diminue, alors l’énergie du milieu environnant augmente exactement de la même quantité. C’est exactement la même chose que (B) mais dans l’autre sens. Et nous voyons bien que c’est parfaitement vrai .Il ne nous reste donc plus que (E), l’énergie contenue dans les liaisons des molécules de réactifs est toujours égale à l’énergie contenue dans les liaisons des molécules de produit. Nous savons que ceci est faux, car nous voyons que souvent l’énergie des liaisons chimiques changer tout au long d’une réaction. Dans notre exemple, lorsque de l’oxyde de calcium et du dioxyde de carbone se forment à partir de carbonate de calcium, les produits formés ont des liaisons plus faibles que les réactifs.
Donc, au niveau des points clés : l’énergie ne peut ni être créée, ni être détruite, mais peut uniquement être convertie entre types d’énergie. L’énergie d’un système chimique est appelée enthalpie, symbolisée par 𝐻. La formation de liaisons diminue l’enthalpie globale, et la rupture des liaisons l’augmente. Des changements d’enthalpie se produisent lorsque des réactions ont lieu. Et les changements d’enthalpie sont généralement mesurés dans des conditions standards, indiquées par le caractère ⦵: un bar de pression, 25 degrés Celsius, des solutions à un molaire, et la définition de l’état standard pour les produits chimiques.
