CHIMIE. Chapitre 5 La chaleur molaire d une réaction. 5.1 La calorimétrie. Manuel de l élève. Exercices : corrigé

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1 CHIMIE Manuel de l élève Exercices : corrigé Chapitre 5 La chaleur molaire d une réaction 5.1 La calorimétrie 1. Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre = C calorimètre T = 2,312 kj/ C 10,0 C = 23,12 kj Détermination de la chaleur de réaction H réaction = Q calorimètre = 23,12 kj Calcul du nombre de moles M = m n D où n = m M n = 0,500 g 44,11 g /mol = 0,0113 mol Calcul de la chaleur molaire? kj 23,12 kj = 0,113 mol 23,12 kj = 2046,02 kj 0,0113 mol La chaleur molaire de combustion du propane est de 2050 kj/mol. 2. Calcul de la chaleur de réaction 394 kj 394 kj 12,01 g =? kj 1,20 g 394 kj 1,20 g = 39,367 kj 12,01 g Détermination de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre = H réaction = ( 39,367 kj) =+39,367 kj 1

2 5.1 La calorimétrie (suite) Calcul de la capacité calorifique du calorimètre Q calorimètre = C calorimètre T D où C calorimètre = Q calorimètre T +39,367 kj C calorimètre = 7,0 C = 5,624 kj/ C La capacité calorifique du calorimètre est de 5,62 kj/ C. 3. a) Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre = 120,0 g 4,19 J/ g C (35,5 C 23,0 C ) = 6285 J Détermination de la chaleur de réaction H réaction = Q calorimètre = 6285 J ou 6,285 kj La chaleur dégagée par la dissolution est de 6,29 kj. b)? kj c)? kj 40,00 g = 6,29 kj 5,80 g 40,00 g 6,29 kj = 43,379 kj 5,80 g La chaleur molaire de dissolution de l hydroxyde de sodium est de 43,4 kj/mol. 6,29 kj 5,80 g =? kj 1 g 6,29 kj 1 g = 1,084 kj 5,80 g La chaleur massique de dissolution de l hydroxyde de sodium est de 1,08 kj/g. d) NaOH (s) Na + (aq) + OH (aq) + 43,4 kj ou NaOH (s) Na + (aq) + OH (aq) H = 43,4 kj 2

3 5.1 La calorimétrie (suite) 4. a) Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre = 25,0 g 4,19 J/ g C (24,8 C 17,0 C ) = 817,05 J Détermination de la chaleur de réaction H réaction = Q calorimètre = 817,05 J Calcul de la chaleur molaire? J? J 86,84 g = 817,05 J 1,45 g 86,84 g 817,05 J = ,8 J ou 48,9328 kj 1,45 g La chaleur molaire de dissolution du bromure de lithium est de 48,9 kj/mol. b) LiBr (s) Li + (aq) + Br (aq) + 48,9 kj ou LiBr (s) Li + (aq) + Br (aq) H = 48,9 kj 5. Calcul de la chaleur de réaction 38,0 kj 38,0 kj 23,95 g =? kj 3,00 g 38,0 kj 3,00 g = 4,7599 kj 23,95 g Détermination de la chaleur absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre = H réaction = ( 4,7599 kj) =+4,7599 kj Calcul de la variation de température de l eau D où T eau = Q calorimètre m eau c eau +4759,9 J T eau = 50,0 g 4,19 J/g C = 22,7 C 3

4 5.1 La calorimétrie (suite) Calcul de la température finale de l eau T = T f T i D où T f = T + T i = 22,7 C + 25,0 C = 47,7 C La température finale du mélange sera de 47,7 C. 6. a) KOH (s) K + (aq) + OH (aq) + 57,3 kj ou KOH (s) K + (aq) + OH (aq) H = 57,3 kj b) KI (s) + 20,4 kj K + (aq) + I (aq) ou KI (s) K + (aq) + I (aq) H =+20,4 kj c) NaCl (s) + 3,9 kj Na + (aq) + Cl (aq) ou NaCl (s) Na + (aq) + Cl (aq) H =+3,9 kj d) NaNO 3(s) + 20,5 kj Na + (aq) + NO 3 (aq) ou NaNO 3(s) Na + (aq) + NO 3 (aq) H =+20,5 kj 7. Selon le tableau 5.8, la chaleur molaire de dissolution du sulfate de cuivre est de 67,7 kj/mol. 67,7 kj 67,7 kj 5,00 g 159,62 g 67,7 kj 159,62 g =? kj 5,00 g = 2,12 kj La dissolution du sulfate de cuivre dégage 2,12 kj. 8. Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre = 500 g 4,19 J/ g C (4,0 C 31,0 C ) = J ou 56,565 kj Détermination de la chaleur de réaction H réaction = Q calorimètre = ( J) = J 4

5 5.1 La calorimétrie (suite) Calcul de la masse du nitrate de potassium +34,9 kj +34,9 kj +56,565 kj = 101,11 g? g 101,11 g 56,565 kj = 163,88 g 34,9 kj Marc-Antoine doit transporter 164 g de nitrate de potassium. 9. a) Mg(OH) 2(aq) + 2 HCl (aq) MgCl 2(aq) + 2 H 2 O (l) b) H 2 SO 4(aq) + 2 NaOH (aq) Na 2 SO 4(aq) + 2 H 2 O (l) 10. a) Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre = 100,0 g 4,19 J/ g C (30,0 C 24,0 C ) =+2514 J Détermination de la chaleur de réaction H réaction = Q calorimètre = 2514 J ou 2,514 kj Calcul du nombre de moles b) C = n V D où n = CV = / L 0,0500 L = 0,0500 mol Calcul de la chaleur molaire 2,514 kj 0,0500 mol =? kj 2,514 kj = 50,28 kj 0,0500 mol La chaleur molaire de neutralisation du NaOH est de 50,3 kj/mol. 50,3 kj 50,3 kj 1 g 40,00 g 50,3 kj 40,00 g =? kj 1 g = 1,258 kj La chaleur massique de neutralisation du NaOH est de 1,26 kj/g. 5

6 5.1 La calorimétrie (suite) c) HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H 2 O (l) + 50,3 kj ou HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H 2 O (l) H = 50,3 kj 11. Calcul du nombre de moles C = n V D où n = CV n = 2 mol/ L 0,200 L = 0,400 mol Calcul de la chaleur de réaction 76,6 kj? kj = 2 mol 0,400 mol 76,6 kj 0,400 mol = 15,32 kj 2 mol H réaction = 15,32 kj Détermination de la chaleur absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre = H réaction = ( 15,32 kj) =+15,32 kj ou J Calcul de la variation de température D où T eau = Q calorimètre m eau c eau J T eau = 300 g 4,19 J/g C = 12,19 C Calcul de la température finale T = T f T i D où T f = T + T i T f = 22,0 C + 12,2 C = 34,2 C La température finale du mélange sera de 34,2 C. 6

7 5.2 La loi de Hess 12. a) Mg (s) + 2 HCl (aq) MgCl 2(aq) + H 2(g) kj MgCl 2(aq) + H 2 O (l) kj MgO (s) + 2 HCl (aq) H 2(g) O 2(g) H 2 O (l) kj Mg (s) O 2(g) MgO (s) kj b) HNO 3(aq) 1 2 H 2(g) N 2(g) O 2(g) H =+173,2 kj 1 2 N 2(g) O 2(g) NO (g) H =+90,3 kj 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (g) H = 483,6 kj HNO 3(aq) H 2(g) NO (g) + 2 H 2 O (g) H = 220,1 kj c) C 3 H 8(g) 3 C (s) + 4 H 2(g) H =+104 kj 3 C (s) + 3 O 2(g) 3 CO 2(g) H = 394 kj 3 = 1182 kj 4 H 2(g) + 2 O 2(g) 4 H 2 O (g) H = 242 kj 4 = 968 kj C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (g) H = 2046 kj 13. C 6 H 6(l) 6 C (s) + 3 H 2(g) H = 49,0 kj 6 C (s) + 6 O 2(g) 6 CO 2(g) H = 393,5 kj 6 = 2361,0 kj 3 H 2(g) O 2(g) 3 H 2 O (g) H = 241,8 kj 3 = 725,4 kj C 6 H 6(l) O 2(g) 6 CO 2(g) + 3 H 2 O (g) H = 3135,4 kj La chaleur de combustion du benzène est de 3135,4 kj/mol. 14. L équation globale balancée C (s) + 2 H 2(g) O 2(g) CH 3 OH (l) CO 2(g) + 2 H 2 O (l) CH 3 OH (l) O 2(g) H =+725,5 kj C (s) + O 2(g) CO 2(g) H = 393,5 kj 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (l) H = 285,8 kj 2 = 571,6 kj C (s) + 2 H 2(g) O 2(g) CH 3 OH (l) H = 239,6 kj La chaleur molaire de formation de l alcool méthylique est de 239,6 kj/mol. 7

8 5.2 La loi de Hess (suite) 15. a) C 4 H 10(g) 4 C (s) + 5 H 2(g) H =+125,7 kj 4 C (s) + 4 O 2(g) 4 CO 2(g) H = 393,5 kj 4 = 1574,0 kj 5 H 2(g) O 2(g) 5 H 2 O (g) H = 241,8 kj 5 = 1209,0 kj C 4 H 10(g) O 2(g) 4 CO 2(g) + 5 H 2 O (g) H = 2657,3 kj La chaleur de la réaction est de 2657,3 kj. b) H 2 S (g) H 2(g) + S (s) H =+20,6 kj H 2(g) + 2 O 2(g) + S (s) H 2 SO 4(l) H = 814,0 kj H 2 S (g) + 2 O 2(g) H 2 SO 4(l) La chaleur de la réaction est de 793,4 kj. H = 793,4 kj c) L équation globale balancée HCl (g) HCl (aq) HCl (g) 1 2 H 2(g) CI 2(g) H =+92,3 kj 1 2 H 2(g) CI 2(g) HCl (aq) H = 167,2 kj HCl (g) HCl (aq) H = 74,9 kj La chaleur de la réaction est de 74,9 kj. d) L équation globale balancée PCl 5(s) PCl 5(g) P (s) Cl 2(g) PCl 5(g) H = 374,9 kj PCl 5(s) P (s) Cl 2(g) H =+443,5 kj PCl 5(s) PCl 5(g) H =+68,6 kj La chaleur de la réaction est de +68,6 kj. 8

9 5.2 La loi de Hess (suite) 16. C 6 H 12 O 6(s) 6 C (s) + 6 H 2(g) + 3 O 2(g) H =+1273,3 kj 6 H 2(g) + 3 O 2(g) 6 H 2 O (l) H = 285,8 kj 6 = 1714,8 6 C (s) + 6 O 2(g) 6 CO 2(g) H = 393,5 kj 6 = 2361,0 kj C 6 H 12 O 6(s) + 6 O 2(g) 6 CO 2(g) + 6 H 2 O (l) H = 2802,5 kj 2 802,5 kj 2 802,5 kj 50,0 g 180,18 g 2 802,5 kj 180,18 g = 777,7 kj =? kj 50,0 g Une quantité d énergie de 778 kj est libérée dans l organisme. 17. a) Vrai. b) Faux. L énergie d activation de la première étape est de 30 kj, tandis que celle de la troisième étape est de 10 kj. c) Vrai. d) Vrai. e) Faux. L enthalpie des réactifs de la troisième étape est de 20 kj. f) Faux. La variation d enthalpie de la troisième étape est de 30 kj. g) Vrai. 18. C est le graphique B qui peut illustrer ce mécanisme de réaction, car les deux premières étapes sont endothermiques, tandis que la troisième et la réaction globale sont exothermiques. Exercices sur l ensemble du chapitre a) Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre = C calorimètre T = 5650 J/ C 3,4 C = J Détermination de la chaleur de réaction H réaction = Q calorimètre = J 9

10 Exercices sur l ensemble du chapitre 5 (suite) Calcul de la chaleur massique? J J = 1 g 1,14 g 1 g J = ,9 J ou 16,8509 kj 1,14 g La chaleur massique de combustion de l acétone est de 16,9 kj/g. b)? J 58,09 g J 1,14 g?j 58,09 g = J 1,14 g = ,5 J La chaleur molaire de combustion de l acétone est de 979 kj/mol. 20. a) Ca(OH) 2(aq) Ca (s) + O 2(g) + H 2(g) H =+986,1 kj CO 2(g) C (s) + O 2(g) H =+393,5 kj Ca (s) + C (s) O 2(g) CaCO 3(s) H = 1207 kj H 2(g) O 2(g) H 2 O (l) H = 285,8 kj Ca(OH) 2(aq) + CO 2(g) CaCO 3(s) + H 2 O (l) La chaleur molaire de la réaction est de 113 kj/mol. H = 113,2 kj b) Cette réaction fait augmenter la température des océans, puisqu elle est exothermique. 21. Calcul de l énergie dégagée par la dissolution du NH 3 30,6 kj 30,6 kj 17,04 g =? kj 1,00 g 30,6 kj 1,00 g = 1,80 kj 17,04 g Calcul de l énergie dégagée par la dissolution du NaOH 44,6 kj 44,6 kj 1,00 g 40,00 g 44,6 kj 40,00 g =? kj 1,00 g = 1,12 kj C est la dissolution de 1,00 g d ammoniac qui dégage le plus d énergie. 10

11 Exercices sur l ensemble du chapitre 5 (suite) 22. Calcul de la chaleur de réaction +4,7 kj +4,7 kj 25,94 g =? kj 3,90 g +4,7 kj 3,90 g =+0,7066 kj 25,94 g Détermination de la chaleur absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre = H réaction = 0,7066 kj ou 706,6 J Calcul de la variation de température de l eau D où T eau = Q calorimètre m eau c eau 706,6 J T eau = 60,0 g 4,19 J/g C = 2,81 C Calcul de la température finale de l eau T = T f T i D où T f = T + T i T f = 2,81 C + 24,4 C = 21,59 C La température finale de la solution sera de 21,6 C. 23. L équation de l évaporation de l eau H 2 O (l) H 2 O (g) H 2(g) O 2(g) H 2 O (g) H = 241,8 kj H 2 O (l) H 2(g) O 2(g) H =+285,8 kj H 2 O (l) H 2 O (g) +44,0 kj +44,0 kj 100 g 18,02 g +44,0 kj 18,02 g =? kj 100 g =+244,17 kj H =+44,0 kj Une quantité d énergie de 244 kj est absorbée. 11

12 Exercices sur l ensemble du chapitre 5 (suite) 24. Calcul du nombre de moles C = n V D où n = CV n = 0,/ L 0,500 L = 0,0500 mol Calcul de la chaleur de réaction +22,6 kj =? kj 0,0500 mol +22,6 kj 0,0500 mol = 1,13 kj Détermination de la chaleur absorbée ou dégagée par l eau du mélange Q eau = H réaction = 1,13 kj ou 1130 J Calcul de la variation de température de l eau Q eau = m eau c eau T eau Q eau D où T eau = m eau c eau 1130 J T eau = = 0,54 C 500 g 4,19 J/g C Calcul de la température finale de l eau T = T f T i D où T f = T + T i T f = 0,54 C + 22,0 C = 21,5 C La température finale du mélange sera de 21,5 C. 25. Détermination de la chaleur absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre = H réaction = ( 103 kj) =+103 kj Calcul de la masse d eau D où m eau = Q calorimètre c eau T eau J m eau = 4,19 J /g C 2,8 C = 8779,4 g La masse d eau est de 8800 g ou 8,8 kg. 12

13 Exercices sur l ensemble du chapitre 5 (suite) 26 a) Vrai. En effet, l énergie d activation est habituellement différente d une étape à l autre. b) Vrai. En effet, il est possible que l enthalpie du complexe activé d une étape soit plus petite que celle des réactifs de la première étape. L enthalpie du complexe activé est alors négative. (Voir un exemple à la figure 5.12.) 27. Le diagramme C peut illustrer ce mécanisme. 28. Calcul de la chaleur de réaction Mg (s) + 2 HCl (aq) MgCl 2(aq) + H 2(g) kj 454 kj 24,31 g 0,200 g? kj 24,31 g 454 kj 0,200 g 454 kj 24,31 g H réaction = 3735 J = 3,735 kj Détermination de la chaleur absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre = H réaction = ( 3735 J) =+3735 J Calcul de la variation de la température de l eau D où T eau = Q calorimètre m eau c eau 3735 J T eau = 100,0 g 4,19 J/g C = 8,9 C Calcul de la température finale de l eau T = T f T i D où T f = T + T i T f = 8,9 C + 22,5 C = 31,4 C La température finale de la solution sera de 31,4 C. 13

14 Exercices sur l ensemble du chapitre 5 (suite) 29. a) Étape 1: 2 A + 3 B A 2 B 3 H = 20 kj Étape 2 : A 2 B 3 2 AB + B H =+30 kj Étape 3 : 2 AB A 2 B 2 H = 50 kj 2 A + 2 B A 2 B 2 H = 40 kj b) Défis 30. Calcul de la chaleur molaire de combustion du gaz naturel CH 4(g) C (s) + 2 H 2(g) H =+74,8 kj 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (g) H = 241,8 kj 2 = 483,6 kj C (s) + O 2(g) CO 2(g) H = 393,5 kj CH 4(g) + 2 O 2(g) 2 H 2 O (g) + CO 2(g) H = 802,3 kj La chaleur molaire de combustion du gaz naturel est de 802,3 kj/mol. Calcul de la quantité de chaleur absorbée ou dégagée par l eau Q eau = m eau c eau T eau = 800 kg 4,19 kj/ kg C (60 C 25 C ) = kj Calcul de la masse de gaz naturel à brûler CH 4(g) + 2 O 2(g) 2 H 2 O (g) + CO 2(g) + 802,3 kj 802,3 kj 16,05 g? g kj 16,05 g 802,3 kj 14

15 Défis (suite) 16,05 g kj = 2347,0 g ou 2,3470 kg 802,3 kj Il faut environ 2,3 kg de gaz naturel. 31. NaOH (s) Na + (aq) + OH (aq) H = 37 kj NaOH (aq) + HCl (aq) Na + (aq) + Cl (aq) + H 2 O (l) H = x NaOH (s) + HCl (aq) Na + (aq) + Cl (aq) + H 2 O (l) 93 kj = 37 kj + x x = 93 kj 37 kj = 56 kj L équation de neutralisation est la suivante : NaOH (aq) + HCl (aq) Na + (aq) + Cl (aq) + H 2 O (l) H = 93 kj H = 56 kj 15