Chapitre 10 Aspect énergétique et évolution d’un système chimique

L’ESSENTIEL

Aspect énergétique de la transformation de la matière

Conventions et définitions des transferts d’énergie

Soit E l’énergie d’un système chimique:

si ce système transfère de l’énergie vers le milieu extérieur durant une transformation, celle-ci est dite exothermique : ΔE = E_finale − E_initiale < 0 ;

si ce système transfert de l’énergie vers le système durant une transformation, celle-ci est dite endothermique : ΔE = E_finale − E_initiale > 0.

Énergie de liaison

L’énergie de liaison de la liaison A-B, notée D_A-B, est l’énergie qu’il faut fournir à une mole de molécules A-B, dans l’état gazeux, pour la dissocier en fragment A gazeux et B gazeux:

A-B_(g) → A_(g) + B_(g)

Son unité dans le SI est le J-mol⁻¹. Son ordre de grandeur est la centaine de kJ-mol⁻¹. L’énergie de liaison D_A-B est une moyenne sur des composés courants contenant la liaison A-B. Sa valeur est toujours positive.

Énergie d’atomisation

L’énergie d’atomisation d’une molécule est l’énergie qu’il faut fournir à une mole de molécules à l’état gazeux pour la transformer en tous ses atomes constitutifs à l’état gazeux:

A_xB_y(g) → x A_(g) + y B_(g)

Son unité dans le SI est le J·mol⁻¹. L’énergie d’atomisation a toujours une valeur positive.

Cas des transformations chimiques

Lors de transformations chimiques ne mettant en jeu que des espèces à l’état gazeux, l’énergie transférée au cours de la réaction chimique associée est : ΔE_réaction = ΣE_{(liaisons rompues) −} ΣE_{(liaisons formées)} pour une mole d’avancement.

L’unité de l’énergie transférée est exprimée en J·mol⁻¹. Sa valeur peut être positive ou négative (transformations endo- ou exothermique).

Cas des changements d’état physique

La transformation d’un état physique ordonné en un état physique moins ordonné est un processus endothermique (ΔE > 0), la transformation inverse est exothermique (ΔE < 0) :

État d’équilibre et spontanéité d’une transformation

Constantes de réactions

Pour un état donné d’un système chimique, le quotient de réaction Qr associé à une réaction d’équation : a A_(aq) + b B_(aq) = c C_(aq) + d D_(aq) est défini par la relation : .

Une constante d’équilibre peut être calculée à l’état initial, final ou à un instant t quelconque, à partir des concentrations des réactifs et produits à cet instant t.

Constante d’équilibre

La constante d’équilibre associée à l’équation d’une réaction est la valeur que prend le quotient de réaction dans l’état d’équilibre du système : Qr = Kéq. La constante d’équilibre, Kéq, associée à une réaction d’équation : a A_(aq) + b B_(aq) = c C_(aq) + d D_(aq) est définie par Kéq = .

Pour une réaction donnée, Kéq ne dépend que de la température.

Critères d’évolution spontanée d’un système chimique

La constante d’équilibre, Kéq, associée à l’équation de la réaction considérée, ne permet pas de prévoir le sens d’évolution du système ; pour le savoir, il faut comparer le quotient de cette réaction Qr à l’état initial (à partir des concentrations des espèces présentes initialement) et la constante d’équilibre Kéq.

Tout système évolue spontanément vers un état d’équilibre, autrement dit la valeur de Qr tend vers Kéq.

Trois situations peuvent alors être envisagées:

Qr < Kéq : le sens spontané de la transformation est le sens direct (sens dans lequel est écrite l’équation de la réaction) ;

Qr = Kéq : le système n’évolue pas macroscopiquement. L’état d’équilibre du système est atteint ;

Qr > Kéq : le sens spontané de la transformation est le sens indirect.

REMARQUES

Une transformation acido-basique peut s’effectuer spontanément dans un sens ou dans l’autre selon la composition du système.

En théorie, les transformations d’oxydoréduction peuvent s’effectuer spontanément dans un sens ou dans l’autre. En pratique, elles évoluent spontanément dans un sens déterminé et sont en général quasi totales (constante d’équilibre très supérieure à 10⁴).

S’ENTRAÎNER

QCM

L’énergie dégagée lors de la combustion du butane dans le dioxygène est de (unité : kJ·mol⁻¹):

A. − 400,8

B. − 2 605

C. − 2 875

D. − 2 960

E. − 3 128

Données:

À propos des réactions de combustion…

Données:

l’énergie dégagée lors de la combustion du propane : Q₁ = – 2 220 kJ·mol⁻¹ ;

l’énergie dégagée lors de la combustion du butane : Q₂ = – 2 880 kJ·mol⁻¹ ;

masses molaires atomiques en g·mol⁻¹ : C = 12 ; H = 1.

Quelle(s) est (sont) l’(les) affirmation(s) exacte(s) ?

A. La réaction de combustion du propane est : C₃H₈ + 7 O₂ → 3 CO₂ + 4 H₂O

B. Le butane est un meilleur combustible que le propane

C. Le pouvoir calorifique P du butane est sensiblement égal à 50 MJ·kg⁻¹

D. Le pouvoir calorifique P du butane est sensiblement égal à – 50 MJ·kg⁻¹

E. Le pouvoir calorifique P du butane est sensiblement égal à 167 MJ·kg⁻¹

On considère l’équation de la réaction chimique ci-dessous:

C_(solide) + O_2(gaz) → CO_2(gaz)

Qr = – 393,5 kJ·mol⁻¹ à 25 °C

Données:

volume molaire = 24 L·mol⁻¹ ;

masses molaires atomiques en g·mol⁻¹ : C = 12 ; O = 16.

L’énergie échangée avec l’extérieur (en kJ) lorsqu’on mélange 36 g de carbone et 96 L de dioxygène est égale à:

A. 1 180,5

B. 1 574

C. 393,5

D. 787

E. 1 967,5

Soit l’équation-bilan de la réaction de synthèse de l’ammoniac:

Qr = – 92 kJ·mol⁻¹

L’énergie D(N-H) de la liaison N-H en kJ·mol⁻¹ est égale à:

A. 776

B. 244

C. 357

D. 388

E. 545

On donne les énergies de liaison E (H–H) = 432 kJ·mol⁻¹, et E (N≡N) = 940 kJ·mol⁻¹.

L’énergie de dissolution d’une mole de l’iodure de calcium est:

Q_diss(CaI₂) = – 120 kJ·mol⁻¹.

L’énergie d’hydratation d’une mole de l’ion calcium est:

Q_hydr(Ca²⁺) = – 1 575 kJ·mol⁻¹,

celle d’une mole de l’ion iodure est Q_hyd(I⁻) = – 305 kJ·mol⁻¹.

A. L’énergie de dislocation de l’iodure de calcium est E_ret = + 1 760 kJ

B. L’énergie de dislocation de l’iodure de calcium est E_ret = + 2 065 kJ

C. L’énergie de dislocation d’un cristal peut être negative

D. Un mince filet d’eau peut être attiré aussi bien par une baguette chargée positivement que par une baguette chargée négativement, mais un filet d’hexane ne sera attiré que par l’une des deux

Saint-Michel 2009 – Échanges thermiques

On considère la combustion complète du propane dans le dioxygène.

L’énergie transférée au cours de la combustion du propane est:

A. +2025 kJ·mol⁻¹

B. -3240 kJ·mol⁻¹

C. -2025 kJ·mol⁻¹

D. 2215 kJ·mol⁻¹

Données : énergies de liaison (kJ·mol⁻¹):

D_C-H = 410 ; D_C=O = 800 ; D_C-C = 350 ; D_O=O = 495 ; D_O-H = 460.

Saint-Michel 2009 – Changement d’état physique

Quelles affirmations sont exactes ?

A. La transformation de l’état liquide à l’état gazeux est un processus endo- thermique

B. La dissolution d’un composé ionique est toujours exothermique

C. Un changement d’état s’accompagne de la rupture de liaisons intermoléculaires

D. Le passage de l’état solide à l’état gazeux est une évaporation

E. L’énergie de cohésion d’un solide moléculaire est l’énergie qu’il faut apporter pour dissocier le solide en atomes

Saint-Michel 2008 – Changement d’état physique

Quelles affirmations sont exactes ?

A. La liquéfaction est une transformation chimique exothermique

B. Un changement d’état s’accompagne toujours de la rupture de liaisons intermoléculaires

C. L’énergie de cohésion intermoléculaire d’un liquide est sa chaleur latente de liquéfaction

D. L’énergie libérée vers l’extérieur par un système chimique est de signe positif

E. Au cours d’un changement d’état exothermique, l’ordre moléculaire augmente

Saint-Michel 2008

Soit la réaction chimique : 4 HCl_(g) + O_2(g) = 2 Cl_2(g) + 2 H₂O_(g)

L’énergie échangée par la combustion de 20 mol de HCl avec le milieu extérieur est:

A. +1,10 MJ

B. −120 kJ

C. −110 kJ

D. −550 kJ

E. +110 kJ

Données : énergies de cohésion intramoléculaire (en valeurs absolues) en kJ·mol⁻¹:

HCl : 430 ; Cl₂ : 240 ; O₂ : 490 ; H₂O : 920.

À propos d’équilibre chimique:

A. Le quotient de réaction initial d’une réaction limitée est sa constante d’équilibre

B. Si le quotient de réaction initial est supérieur à la constante, le système évolue en sens inverse

C. L’ajout d’un excès d’un réactif permet de déplacer un équilibre chimique

D. Le taux d’avancement final ne dépend pas de la constante d’équilibre

E. L’élimination d’un produit par distillation déplace un équilibre chimique

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