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Vidéo de la leçon : Unités d’énergie Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre à exprimer l’énergie dans différentes unités, et à convertir ces unités entre elles.

17:35

Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir quelques unités d’énergie et des unités d’énergie par liaison chimique ou quantité de substance chimique. Et nous allons aussi nous entraîner à effectuer des conversions entre elles. Avant de commencer, il y a certaines choses à connaître. D’abord, il existe de nombreux types d’énergie, par exemple l’énergie potentielle chimique, l’énergie gravitationnelle, l’énergie électrique, etc. Nous utilisons le mot générique «énergie» lorsque nous ne sommes pas sûrs du type d’énergie auquel nous avons affaire ou pour les mélanges de différents types d’énergie. Quel que soit le type, l’unité d’énergie reconnue internationalement est le joule, de symbole J.

Il est assez complexe de définir ce qu’est un joule. Cela correspond au travail effectué par une force motrice d’un newton quand son point d’application se déplace d’un mètre dans la direction d’action de la force. Voici un bon exemple : un objet posé sur une surface que l’on pousse. Il faudrait un joule d’énergie pour déplacer cet objet d’un mètre si la force de frottement était d’un newton. Cependant, puisque nous ne traitons pas souvent les forces ou les distances en tant que chimistes à ce niveau, nous avons une façon différente de nous en souvenir. Il faut environ 4,2 joules d’énergie thermique pour réchauffer d’un degré Celsius un millilitre de l’une de nos substances préférées, l’eau. Et si nous avons besoin d’unités plus grandes ou plus petites pour résoudre un problème en particulier, nous pouvons utiliser des préfixes standards.

Par exemple, nous pourrions trouver des microjoules, qui sont des millionièmes de joules indiqués par la lettre 𝜇. Ou nous pourrions avoir des millijoules, qui sont des millièmes de joules ou des kilojoules, qui sont des milliers de joules. En chimie, l’une des unités d’énergie les plus utiles est le kilojoule, mais nous y reviendrons plus tard. Nous avons aussi besoin de connaître la mole, l’unité SI de la quantité de substance. Officiellement, une mole d’un atome, d’un ion ou d’une molécule est exactement 6.02214076 fois 10 à la puissance 23 de ces atomes, ions, ou molécules et ainsi de suite. Nous pouvons rapprocher cela de la douzaine d’objets qui signifie 12 objets. Vous verrez généralement ce nombre très précis arrondi à quatre ou trois chiffres significatifs.

Ce nombre est connu sous le nom de nombre d’Avogadro. Et il représente la meilleure estimation du nombre d’atomes de carbone-12 dans 12 grammes de carbone-12. Cette unité nous aide à parler de quantités de substance à échelle humaine. Si nous voulons effectuer des conversions entre un nombre de choses et une quantité de choses en moles, nous pouvons utiliser la constante d’Avogadro, qui est simplement le nombre d’Avogadro avec des unités par mole. Cela nous indique simplement le nombre de choses par mole. La constante d’Avogadro nous permet de convertir un nombre de 𝑋 en quantité de 𝑋 en moles.

Nous allons ensuite examiner un domaine où beaucoup d’informations de ce type apparaissent. L’énergie de liaisons est la quantité d’énergie qui est convertie entre énergie potentielle chimique et d’autres formes d’énergie, comme la chaleur et la lumière, quand une liaison se forme ou se brise. La formation d’une liaison libère une quantité minuscule d’énergie. Par exemple, quand deux atomes d’azote se réunissent pour former l’une des plus fortes liaisons covalentes, la triple liaison azote-azote, l’énergie libérée, probablement sous forme d’énergie thermique, est de 0.00000000000000000156 joules. En notation scientifique, c’est 1.56 fois 10 à la puissance moins 18 joules par triple liaison azote-azote.

Parce que ces énergies sont si petites, on parle plus volontiers d’énergies de liaison par mole de liaisons. Dans une mole d’azote gazeux, nous avons environ 6.022 fois 10 à la puissance 23 triples liaisons azote-azote. Environ 942000 joules d’énergie sont convertis lors de la formation ou de la destruction de toutes ces liaisons. On peut donc dire que l’énergie de la liaison molaire de la triple liaison azote-azote est d’environ 942000 joules par mole. Pour que ce soit plus clair, nous utilisons plutôt kilojoules par mole que joules par mole. L’énergie des liaisons molaires est donc de 942 kilojoules par mole.

Examinons maintenant les conversions entre différentes unités d’énergie. Pour effectuer des conversions, vous devez connaître la signification des préfixes standards. Et vous aurez peut-être aussi à convertir une unité familière en une unité inconnue. Nous allons voir ici comment convertir entre microjoules, millijoules, joules, kilojoules et mégajoules. Si vous avez un joule d’énergie, cela équivaut à 1000 millijoules. Et un seul millijoule équivaut à un millième de Joule. 10 à la puissance six ou un million de microjoules équivaut également à un joule. Et un microjoule équivaut à un millionième ou 10 à la puissance moins six de joule.

Dans l’autre sens, un joule est 1000 fois plus petit qu’un kilojoule. Et un kilojoule est 1000 fois plus grand qu’un joule. Et enfin, un joule équivaut à 10 puissance moins six mégajoule, tandis qu’un mégajoule équivaut à un million de joules. À partir de là, il est facile de comprendre ce que signifient les préfixes. Cependant, si vous n’êtes pas à l’aise avec les préfixes, vous pouvez toujours vous aider de la table pour effectuer vos conversions. Pour commencer, vous devez repérer l’unité dans laquelle vous vous trouvez à gauche, puis repérer l’unité à laquelle vous allez convertir en haut, et finalement trouver les équivalences dans le tableau. Par exemple, imaginons que nous voulions convertir des joules en millijoules. D’après le tableau, un Joule équivaut à 1000 millijoules. Nous commençons avec un certain nombre de joules marqué 𝑥, puis nous multiplions par notre rapport de conversion, 1000 millijoules par joule.

L’unité vers laquelle nous convertissons est en haut de la fraction, et l’unité à partir de laquelle nous convertissons est en bas. Donc cela s’annule. Après avoir annulé les unités, nous voyons que nous avons 1000 fois plus de millijoules que de joules. Nous pouvons maintenant remplir le reste du tableau. Nous pouvons observer une constante dans le tableau. Un millijoules, un joule, un kilojoule et un mégajoule sont tous 1000 fois plus grands que l’unité du dessus. Nous pouvons donc suivre ce modèle pour remplir le reste du tableau, ce qui nous amène aux extrémités où 10 puissance 12, soit mille milliards de microjoules, équivaut à un mégajoule et un microjoule équivaut à 10 puissance moins 12 mégajoules. Entraînons-nous maintenant à convertir 5.2 mégajoules en joules.

Nous voyons dans le tableau qu’un mégajoule équivaut à 10 puissance six joules. Pour convertir, nous pouvons donc multiplier 5.2 mégajoules par 10 puissance six joules par mégajoule. Après avoir annulé les unités et multiplié, nous obtenons 5200000 joules. Mais comment faire si nous voulons convertir, pour quelque raison insensée, 0.2 microjoules en kilojoules ? Cela sera plus simple de convertir d’abord en joules. Nous multiplions ici par 10 puissance moins six joules par microjoule. Et nous pouvons ensuite convertir en kilojoules en multipliant par 10 puissance moins trois kilojoules par joule. Mais vous voyez que vous pouvez combiner ces deux opérations en une seule en multipliant par 10 puissance moins neuf kilojoules par microjoule.

Nous pouvons utiliser une autre méthode faisant intervenir les préfixes. 0,2 microjoules peut être exprimé comme 0,2 fois 10 puissance moins six joules en écrivant simplement le préfixe. Et nous pouvons faire la même chose avec nos kilojoules cibles, en transformant le k en 10 à la puissance trois. À partir de là, il devient facile de voir que nous passons d’une très petite d’énergie à une très grande quantité d’énergie, et que la différence de taille est de 10 puissance neuf. Puisque nous convertissons en une unité d’énergie plus grande, nous en avons besoin de moins. Nous pouvons donc multiplier par 10 puissance moins neuf pour nous assurer que c’est équivalent. Nous pouvons donc écrire ceci : 0,2 fois 10 puissance moins neuf, ou deux fois 10 puissance moins huit kilojoules.

Il y a donc plusieurs façons de faire. Ce qui important, c’est de comprendre pourquoi cela fonctionne. Cela fonctionne parce que nous avons toujours affaire à des quantités d’énergie équivalentes. Ce qui est pratique quand on connait les équivalences entre les différentes unités d’énergie, c’est qu’on peut passer d’une unité à l’autre, familière ou inconnue. Par exemple la calorie, unité non SI, ne se convertit pas aussi facilement en joules que les kilojoules ou les millijoules. Historiquement, on définissait une calorie comme l’énergie nécessaire pour chauffer d’un degré Celsius un millimètre d’eau Ce n’est cependant plus le cas : la calorie est maintenant définie par rapport au joule. Une calorie correspond maintenant précisément à 4,184 joules.

La quantité réelle d’énergie représentée par la calorie n’a pas vraiment changé. C’est juste la façon dont nous la définissons. Comme une calorie équivaut à 4,184 joules, un joule équivaut donc à peu près à 0,239 calories, soit un divisé par 4,184. La calorie est une unité assez connue, mais le mot calorie que vous entendez peut faire référence à quelque chose de légèrement différent. Comme vous vous en doutez, si nous ajoutons kilo devant calorie, nous obtenons le kilocalorie, ce qui équivaut à 1000 calories, ce qui signifie qu’un kilocalorie équivaut à 4184 joules. Et une calorie équivaut à un millième de kilocalorie. Et si vous voulez convertir directement des joules en kilocalories, sachez qu’un joule équivaut à peu près à 2,39 fois 10 puissance moins quatre kilocalories.

Mais les choses se corsent parce que le mot calorie renvoie aussi à une calorie avec un C majuscule, qui équivaut elle à un kilocalorie. On appelle petite calorie, la calorie équivalente à 4,184 joules. Et grande calorie, la calorie équivalente à 4184 joules. Il est facile de se rappeler à quelle catégorie elles appartiennent car les petites calories s’écrivent avec un c minuscule et les grandes calories avec un C majuscule En général, le nombre de grandes calories quotidiennes recommandé est d’environ 2000 par jour. Nous pouvons facilement convertir cela en petites calories : cela donne environ deux millions de petites calories, ce qui équivaut également à deux méga petites calories. Mais c’est peut-être en faire un peu trop. La leçon à retenir ici, c’est qu’il faut savoir à quelle calorie, petite ou grande, il est fait référence quand vous entendez le mot calorie.

La question suivante est : est-ce que cela est différent quand nous examinons l’énergie des liaisons ? Pas vraiment. Tout ce que nous devons préciser, c’est qu’une mole de quelque chose est équivalent au nombre d’Avogadro de cette chose. Et cette constante d’Avogadro nous indique combien de choses il y a par mole. Naturellement, une énergie de liaison d’un joule par mole équivaut à un joule par mole ou 0,001 kilojoules par mole. Et cela en lien avec le fait qu’un kilojoule équivaut à 1000 joules. Mais qu’en est-il si nous n’avons pas affaire à des joules par mole de liaison, mais à des Joules par liaison ? Pour convertir les joules par mole en joules par liaison, il faut diviser par la constante d’Avogadro. La division par la constante d’Avogadro, nous permet de dire combien il y a de moles par nombre de choses.

Diviser par la constante d’Avogadro revient à multiplier par une mole par 6,022 fois 10 puissance 23 de quelque chose. Vous pouvez vérifier que vous avez tout mis dans le bon sens en vous assurant que vous avez divisé par un grand nombre, parce que l’énergie libérée par liaison va être considérablement inférieure à l’énergie libérée par mole de liaison. Voici les facteurs de conversion entre joules par mole, kilojoules par mole et joules par liaison. Cependant, ce n’est peut-être pas la meilleure façon de se rappeler comment faire. Si nous voulons convertir des unités de joules par liaison en joules par mole de liaison, nous multiplions par la constante d’Avogadro. Et pour convertir dans l’autre sens, nous divisons simplement par la constante d’Avogadro.

Ensuite, pour convertir des joules par mole en kilojoules par mole, l’unité type pour les énergies de liaison, nous multiplions par 10 puissance moins trois kilojoules par joule. C’est exactement ainsi que nous convertissons des joules en kilojoules. Et pour aller dans l’autre sens, on multiplie simplement par 1000 joules par kilojoule. Si vous le souhaitez, vous pouvez passer directement des joules par liaison aux kilojoules par mole. Tout ce que nous avons à faire c’est de suivre la voie entre joules par liaison et kilojoules par mole et de combiner les conversions. Nous multiplions donc par la constante d’Avogadro, puis par 10 puissance moins trois kilojoules par joule.

Mais en pratique, il est préférable de procéder par étapes pour réduire la probabilité de se tromper. Ainsi, par exemple, avec la triple liaison azote-azote, l’énergie de la liaison est de 1,56 fois 10 puissance moins 18 joules par liaison. On obtient 942000 joules par mole après avoir converti en joules par mole et multiplié par la constante d’Avogadro. On finit par convertir les joules en kilojoules en multipliant par 10 puissance moins trois kilojoules par joule, ce qui nous donne 942 kilojoules par mole. Maintenant que nous avons examiné la convergence des unités et la convergence de l’énergie de liaison, entraînons-nous un peu.

On estime que l’adulte devrait en moyenne consommer 2000 kilocalories par jour pour maintenir un mode de vie sain. Quelle est cette valeur en kilojoules ?

2000 kilocalories représentent une quantité d’énergie, et le kilojoule est une autre unité d’énergie. Nous pouvons donc laisser de coté le par jour. Nous pouvons décomposer un kcal en k et cal. Le k correspond au kilo qui signifie 1000 quelque chose, et cal signifie calorie ou petite calorie. Donc, kilocalorie fait référence à 1000 calories. Le symbole pour les kilojoules est, quant à lui, kJ. Le J correspond au joule. Notre unité de départ et notre unité finale sont toutes les deux en kilo, il est donc inutile de se concentrer sur cela. Ce que nous devons retenir, c'est la relation entre les calories et les joules. Il faut environ une calorie pour réchauffer d’un degré Celsius un millilitre d’eau. Mais on définit officiellement une calorie comme étant 4,184 joules. Si nous mettons les deux côtés à une échelle de 1000, nous obtenons la même relation numérique entre les kilocalories et les kilojoules.

Nous disposons à présent de toutes les informations nécessaires pour convertir nos kilocalories en kilojoules. Nous commençons par multiplier nos 2000 kilocalories par 4,184 kilojoules par kilocalorie. La réponse est 8368 kilojoules. Vous auriez aussi pu procéder par étapes, en convertissant d’abord les kilocalories en calories en multipliant par 1000 calories par kilocalorie, puis en convertissant en joules en multipliant par 4,184 joules par calorie, et finalement en convertissant en kilojoules en multipliant par 10 puissance moins trois kilojoules par joule. En annulant les termes communs en cours de route, nous nous retrouvons avec exactement le même facteur de conversion. Quel que soit donc le chemin emprunté, 2000 kilocalories équivalent à 8368 kilojoules.

Terminons avec les points clés. Quel que soit le type, l’énergie est mesurée en joules. Nous pouvons utiliser des préfixes standards pour signifier des unités d’énergie plus grandes ou plus petites, telles que les microjoules, les millijoules, les kilojoules et les mégajoules. L’unité non SI, la calorie, petite calorie, est équivalente à 4,184 joules. L’unité associée, la grande calorie avec un C majuscule, est équivalente à un kilo petite calorie ou 4184 joules. Nous exprimons généralement les énergies de liaison en kilojoules par mole. Mais nous pouvons convertir ces valeurs en joules par mole en multipliant par 1000 joules par kilojoule. Et enfin, nous pouvons convertir des joules par mole de liaison en joules par liaison individuelle en divisant par la constante d’Avogadro.

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