CHAPITRE. 5.1 Ce tunnel piétonnier, situé à Dubaï, dans les Émirats arabes unis, est doté d un système de climatisation complexe.

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1 CHAPITRE. Ce tunnel piétonnier, situé à Dubaï, dans les Émirats arabes unis, est doté d un système de climatisation complexe. La chaleur molaire d une réaction Les systèmes de réfrigération et de climatisation sont des applications technologiques qui exploitent la chaleur molaire de réaction. De quels moyens techniques les scientifiques disposent-ils pour déterminer cette chaleur de réaction? Où peuvent-ils trouver de l information à ce sujet pour des transformations chimiques courantes? 03

2 CComme nous l avons vu dans le chapitre précédent, l énergie absorbée ou dégagée par une transformation constitue ce qu on appelle la «chaleur de réaction». Dans ce chapitre, nous verrons d autres méthodes pour déterminer cette chaleur de réaction. D abord, nous étudierons les principes de la calorimétrie, une méthode expérimentale. Puis, nous verrons comment l addition de réactions connues peut permettre de calculer la chaleur d une autre réaction.. La calorimétrie La loi de la conservation de l énergie, qui stipule que l énergie ne peut être ni créée ni détruite, fournit les bases d une méthode expérimentale visant à déterminer la chaleur d une réaction. Selon cette loi: l énergie que requiert une réaction endothermique provient nécessairement du milieu environnant; l énergie dégagée par une réaction exothermique est nécessairement absorbée par le milieu environnant. Pour mesurer l énergie absorbée ou dégagée par une transformation, il est nécessaire d utiliser un système isolé. En effet, dans un tel système, l énergie totale demeure constante. La FIGURE. permet de saisir la différence entre un système isolé et un système ouvert ÉTYMOLOGIE «Isolé» vient du mot ita - lien isolato, qui signifie «construit en îlot, séparé». ou fermé. On peut y observer qu un système isolé ne peut, théoriquement, échanger ni matière ni énergie avec le milieu environnant. Ainsi, dans un système isolé: l énergie absorbée par une transformation est équivalente à l énergie fournie par ce système; l énergie dégagée par une transformation est équivalente à l énergie absorbée par ce système. CONCEPTS DÉJÀ VUS o Loi de la conser - vation de l énergie o Transformations physiques et chimiques o Réactions endothermique et exothermique o Système (intrants et extrants) o Distinction entre la chaleur et la température o Capacité thermique massique o Notion de mole LABOS À 4. LA DÉTERMINATION DE LA CHALEUR MOLAIRE D UNE RÉACTION SYSTÈME OUVERT SYSTÈME FERMÉ SYSTÈME ISOLÉ Dans un système ouvert, il peut y avoir échange de matière et d énergie avec le milieu environnant.. Dans un système fermé, il peut y avoir échange d énergie avec le milieu environnant, mais pas d échange de matière. Selon son interaction avec le milieu environnant, un système peut être ouvert, fermé ou isolé. Dans un système isolé, il ne peut théoriquement y avoir aucun échange avec le milieu environnant. 04 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S THÉORIE

3 Comme la chaleur est la forme d énergie la plus souvent associée aux transformations de la matière, l absorption ou le dégagement d énergie par une transfor mation se traduit habituellement par une variation de température du milieu environnant. Mesurer cette variation permet d effectuer différents calculs pour déterminer les quantités d éner gie mises en jeu au cours d une transformation. Cette méthode de mesure, appelée la «calorimétrie», est basée sur le fait que, à pression constante, la cha leur d une réaction est égale à la chaleur absorbée ou dégagée par l ensemble d un système isolé. ÉTYMOLOGIE «Calorimétrie» vient du mot latin calor, qui signifie «chaleur», et du mot grec metron, qui signifie «mesure». DÉFINITION La calorimétrie est une méthode expérimentale qui permet de déterminer la chaleur d une réaction en calculant la quantité d énergie absorbée ou dégagée par un système isolé. CHIMIE C H A P I T R E Pour effectuer les différentes mesures nécessaires aux calculs calorimétriques, on se sert d un calorimètre. Cet appareil se compose d un contenant isolé renfermant un volume d eau déterminé. L eau constitue un milieu de choix à utiliser dans un calorimètre, puisqu elle est facilement accessible et peu dispendieuse. De plus, elle possède une grande capacité thermique massique. Cette caractéristique permet d obtenir plus de précision lorsque de grandes quantités d énergie sont en jeu. DÉFINITION Un calorimètre est un appareil isolé qui permet de prendre les mesures nécessaires pour effectuer les calculs de calorimétrie. Les premiers calorimètres étaient constitués d un vase de Dewar, inventé en 906 par un chi - miste britannique, Sir James Dewar (84-93). Ce vase, une bouteille isotherme (voir la FIGURE.3), fut mis au point à l origine pour ÉTYMOLOGIE «Isotherme» vient des mots grecs isos, qui signifie «égal», et thermos, qui signifie «chaleur». conser ver des gaz liquéfiés. Sa double paroi de verre, recouverte d une mince couche d argent et séparée par un espace vide, permettait de diminuer les échanges thermiques entre l intérieur et l extérieur du vase. Ce contenant isolé ralentissait la vaporisation des gaz liquéfiés. Avec le temps, à cause de sa fragilité, le verre entrant dans sa fabrication a été remplacé par des matériaux plus résistants, comme le métal ou le plastique. Une bouteille isotherme de qualité peut aujourd hui conserver sa chaleur jusqu à trois jours. Bouchon Parois de verre, de métal ou de plastique.3 La bouteille isotherme, mieux connue sous le nom de «thermos», est une application pratique du vase de Dewar. Vide COUPE LONGITUDINALE COUPE TRANSVERSALE CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N THÉORIE 0

4 De nos jours, le calorimètre peut prendre différentes formes, selon le type de transformation dont on veut mesurer la chaleur de réaction. La transformation s effectue dans le réservoir du calorimètre, directement dans l eau, lorsqu il s agit d une transformation qui se déroule en milieu aqueux (voir la FIGURE.4). Dans les autres cas, comme pour les combustions, la transformation a lieu dans un conte nant rigide, ou «bombe calorimétrique», placé dans l enceinte du calo ri - mètre (voir la FIGURE.). Dans ces appareils, une résistance électrique permet de fournir l énergie nécessaire pour amorcer certaines réactions. Thermomètre Agitateur Bouchon Verre Eau Vide.4 Un calorimètre (vue en coupe). Fil de résistance électrique Eau Arrivée d oxygène Fil d ignition Agitateur Thermomètre Bombe calorimétrique Vide Eau Échantillon. Un calorimètre doté d une bombe calorimétrique (vue en coupe). Tous les matériaux d un calorimètre, qui est un système isolé, prennent part aux transferts d énergie. Ainsi: la chaleur absorbée par une réaction endothermique est équivalente à la chaleur fournie par le calorimètre; la chaleur dégagée par une réaction exothermique est équivalente à la chaleur absorbée par le calorimètre. Il est à noter toutefois que la chaleur de réaction ( H réaction ) et la chaleur absorbée ou dégagée par un calorimètre (Q calorimètre ) sont toujours de signes contraires, comme le montre la relation ci-dessous: H réaction Q calorimètre Pour calculer la chaleur absorbée ou dégagée par un calorimètre, on doit tenir compte de la masse et de la capacité thermique massique de chacun des matériaux qui le constituent. Ainsi: Q calorimètre (m eau c eau T) + (m matériau c matériau T) + (m matériau c matériau T) + Comme la variation de température est la même pour chacune des composantes du calorimètre, il est possible de simplifier le calcul en ÉTYMOLOGIE déterminant la capacité calorifique du calorimètre «Calorifique» vient du (C calorimètre ) pour une quantité d eau donnée. (Atten - mot latin calorificus, signi - tion à ne pas confondre avec la capacité thermique fiant «qui échauffe». massique, c.) DÉFINITION La capacité calorifique d un calorimètre correspond à la quantité d énergie nécessaire à une variation de température de C de l ensemble de ses composantes. Elle s exprime en J/ C ou en kj/ C. 06 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S THÉORIE

5 En conclusion, pour calculer la chaleur absorbée ou dégagée par un calorimètre, on applique la relation suivante. Chaleur absorbée ou dégagée par un calorimètre Q calorimètre C calorimètre T où Q calorimètre représente la chaleur absorbée ou dégagée par le calorimètre (en J ou en kj) C calorimètre représente la capacité calorifique du calorimètre (en J/ C ou en kj/ C) T représente la variation de température des composantes du calorimètre (en C) CHIMIE C H A P I T R E La capacité calorifique est une constante qui dépend de chaque calorimètre. Elle peut être déterminée à l aide de la chaleur d une réaction connue. Certains calorimètres sont normalisés. Leur capacité calorifique est alors indiquée par le fabricant. Voyons un exemple de problème dans lequel on détermine la chaleur molaire d une combustion à l aide d un calorimètre normalisé. La combustion de,00 g de méthane (CH 4 ) entraîne une variation de température de 6, C dans un calorimètre dont la capacité calorifique est de 7,676 kj/ C. Quelle est la chaleur molaire de combustion du méthane? Calcul de l énergie absorbée ou dégagée Calcul du nombre de moles par le calorimètre M m Q calorimètre C calorimètre T n 7,676 kj/ C 6, C m,00 g D où n 0,063 mol 49,89 kj M 6,0 g/mol Détermination de la chaleur de réaction H réaction Q calorimètre 49,89 kj Calcul de la chaleur molaire? kj 49,89 kj mol 0,063 mol mol 49,89 kj 800,8 kj 0,063 mol La chaleur molaire de combustion du méthane est de 80 kj/ mol. À l aide du résultat de ce calcul, on peut écrire l équation thermique de la transformation: Combustion du méthane: CH 4(g) + O (g) CO (g) + H O (g) + 80 kj ou CH 4(g) + O (g) CO (g) + H O (g) H 80 kj Cette réaction est donc exothermique. CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N THÉORIE 07

6 Mesurer la variation de température de l eau d un calorimètre révèle ainsi la nature endothermique ou exothermique d une transformation. Comme le montre le TABLEAU.6: dans le cas d une réaction endothermique, le calorimètre doit fournir l énergie nécessaire à la transformation. Il en résulte une diminution de la température de l eau; dans le cas d une réaction exothermique, le calorimètre doit absorber l énergie déga gée par la transformation. Il s ensuit une augmentation de la température de l eau..6 LA VARIATION DE TEMPÉRATURE D UN CALORIMÈTRE EN FONCTION DU TYPE DE TRANSFORMATION Variation de Signe du T Transformation Signe du H température ( T) et du Q calorimètre du calorimètre La température diminue Négatif Endothermique Positif La température augmente Positif Exothermique Négatif La chaleur de réaction en solution aqueuse Une façon simple de construire un calorimètre est d employer deux verres de polystyrène super - posés, un couvercle et un thermomètre, comme le montre la FIGURE.7. Étant donné que le polystyrène est un matériau qui participe très peu aux échanges thermiques, la capacité thermique du calorimètre correspond approximativement ÉTYMOLOGIE «Polystyrène» vient du mot grec polus, qui signifie «nombreux», et du mot latin styrax, qui est le nom d un arbrisseau d où l on tire une résine, le styrène. à celle de l eau. Par conséquent, la chaleur absorbée ou dégagée par ce calo ri - mètre se calcule à l aide de la relation suivante. CONCEPTS DÉJÀ VUS o Propriétés des solutions o Masse volumique o Dissolution o Réaction de neutrali - sation acidobasique o Changement de phase Chaleur absorbée ou dégagée par un calorimètre de polystyrène Q calorimètre m eau c eau T eau où Q calorimètre représente la chaleur absorbée ou dégagée par l eau du calorimètre (en J) m eau représente la masse de l eau (en g) c eau représente la capacité thermique massique de l eau (4,9 J/g C) T eau représente la variation de température de l eau (en C) Thermomètre Couvercle de plastique.7 Un calorimètre formé de verres de polystyrène (vue en coupe). Verres de polystyrène Eau 08 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S THÉORIE

7 Au lieu de mesurer la masse de l eau, l un des éléments de cette formule, il est souvent plus facile de mesurer le volume de l eau. En effet, puisque la masse volumique de l eau est de g/ml, la valeur numérique de son volume est équivalente à celle de sa masse. Pour finir, mentionnons qu un calorimètre de polystyrène est très utile pour déterminer la chaleur des transformations qui s effectuent en milieu aqueux. Les pages suivantes expliquent comment calculer la chaleur molaire de deux de ces transformations: la dissolution et la neutralisation acido basique. Le calo ri mètre de polystyrène pourrait aussi être utilisé pour certains changements de phase. LA CHALEUR MOLAIRE DE DISSOLUTION Voyons comment déterminer la chaleur molaire de dissolution d un soluté dans l eau à l aide d un calorimètre de polystyrène. CHIMIE C H A P I T R E DÉFINITION La chaleur molaire de dissolution correspond à la quantité d énergie absorbée ou dégagée lors de la dissolution d une mole de soluté dans un solvant. Dans un calorimètre contenant 0,0 ml d eau, vous effectuez la dissolution de 4,80 g d hydroxyde de lithium. Vous constatez que la température de l eau passe de,0 C à 37,0 C. Quelle est la chaleur molaire de dissolution de l hydroxyde de lithium? Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre m eau c eau T eau 0,0 g 4,9 J/g C,0 C 74 J Détermination de la chaleur de réaction H réaction Q calorimètre 74 J Calcul du nombre de moles M m n m 4,80 g D où n 0,00 mol M 3,9 g/mol Calcul de la chaleur molaire? J 74 J mol 0,00 mol mol 74 J J 37,70 kj 0,00 mol La chaleur molaire de dissolution de l hydroxyde de lithium est de 37,7 kj/ mol. La détermination de la chaleur molaire de dissolution est utile pour écrire l équa - tion thermique de la transformation. Dans notre exemple, l équation s écrit comme suit: Dissolution de l hydroxyde de lithium: LiOH (s) LiOH (aq) + 37,7 kj ou LiOH (s) LiOH (aq) H 37,7 kj CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N THÉORIE 09

8 Le TABLEAU.8 présente la chaleur molaire de dissolution dans l eau de quelques substances..8 LA CHALEUR MOLAIRE DE DISSOLUTION DANS L EAU DE QUELQUES SUBSTANCES Dissolution endothermique Dissolution exothermique Substance Chaleur absorbée Substance Chaleur dégagée (en kj/mol) (en kj/mol) Nitrate d argent (AgNO 3 ) +,6 Dioxyde de carbone (CO ) 0, Chlorate de potassium (KClO 3 ) +4,4 Sulfate de cuivre (CuSO 4 ) 67,7 Iodure de potassium (KI) +0,4 Acide fluorhydrique (HF) 6,6 Nitrate de potassium (KNO 3 ) +34,9 Acide nitrique (HNO 3 ) 33,3 Thiocyanate de potassium (KSCN) +4,3 Acide sulfurique (H SO 4 ) 74, Bromate de lithium (LiBrO 3 ) +,4 Hydroxyde de potassium (KOH) 7,3 Fluorure de lithium (LiF) +4,7 Bromure de lithium (LiBr) 48,9 Chlorure de sodium (NaCl) +3,9 Nitrate de lithium (LiNO 3 ), Nitrate de sodium (NaNO 3 ) +0, Hydroxyde de sodium (NaOH) 44,6 Chlorure d ammonium (NH 4 Cl) +4,8 Ammoniac (NH 3 ) 30,6 À l aide des données de ce tableau, on peut aussi prédire la température finale de l eau après la dissolution d une substance. Voyons un exemple à la page suivante. Alerte à la surchauffe informatique ARTICLE TIRÉ D INTERNET Entre 000 et 00, la consommation électrique des centres de données informatiques a doublé à l échelle de la planète. Les moteurs de recherche qui entassent dans ces centres des dizaines de milliers de serveurs, capables de mémoriser des milliards de courriels, textes, films et musiques, sont en voie de devenir de véritables ogres énergétiques. «Notre ordinateur fait partie des appareils les plus inefficaces jamais inventés, écrit le spécia liste Timothy Prickett Morgan. Le plus gros de l élec - tricité qui le nourrit est relâché sous forme de chaleur, de bruit et de lumière.» Certains centres de données renferment des dizaines de milliers de serveurs informatiques. Les fabricants de processeurs ou de serveurs veulent maintenant concilier hausse de la perfor - mance et lutte contre chaleur et consommation. Par exemple, la conception de puces dotées de milliards de micro-trous facilitera la circulation du courant et elle limitera pertes et échauffements. Les spécialistes de la climatisation affirment qu il faudra bientôt abandonner l air soufflé pour passer au refroidissement par des fluides. Adapté de : Le Devoir, Alerte à la surchauffe informatique [en ligne]. (Consulté le 6 février 009.) 0 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S THÉORIE

9 Vous dissolvez,00 g de nitrate de potassium dans 0,0 ml d eau à,0 C. Quelle est la température finale de la solution? On considère qu il n y a aucune perte d énergie dans l environnement. Calcul du nombre de moles M m n m,00 g D où n 0,049 mol M 0, g/mol Calcul de la chaleur de réaction +34,9 kj? kj mol 0,049 mol +34,9 kj 0,049 mol +,73 kj mol Détermination de la chaleur absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre H réaction,73 kj ou 730 J Calcul de la variation de température de l eau Q calorimètre m eau c eau T eau Q calorimètre 730 J D où T eau m,6 C eau c eau 0,0 g 4,9 J/g C Calcul de la température finale de l eau T T f T i D où T f T + T i,6 C +,0 C 0,3 C La température finale de la solution est de 0,4 C. Il est normal que la température finale soit plus petite que la température initiale, puisque la dissolution du nitrate de potassium est un phénomène endothermique. Cela signifie que la dissolution a absorbé de l énergie provenant de l eau. CHIMIE C H A P I T R E LA CHALEUR MOLAIRE DE NEUTRALISATION ACIDOBASIQUE Voyons comment déterminer la chaleur molaire d une neutralisation acidobasique à l aide d un calorimètre de polystyrène. DÉFINITION La chaleur molaire de neutralisation acidobasique correspond à la quantité d énergie absorbée ou dégagée lors de la neutralisation d une mole d acide ou d une mole de base. Dans un calorimètre, vous neutralisez complètement 7,0 ml d une solution d hydroxyde de potassium à 0,0 mol/l avec 7,0 ml d une solution d acide fluorhydrique à 0,0 mol/l. Vous constatez alors que la température augmente de,0 C. Quelle est la chaleur molaire de neutralisation de la base? Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre m eau c eau T eau 0,0 g 4,9 J/g C,0 C 34, J Dans le cas de solutions aqueuses, on considère que la quantité d eau dans le calorimètre correspond au volume total des solutions. La capacité thermique massique d une solution diluée est à peu près équivalente à celle de l eau pure. Détermination de la chaleur de réaction H réaction Q calorimètre 34, J Calcul du nombre de moles n C V D où n CV 0,0 mol/l 0,070 L 0,037 mol Calcul de la chaleur molaire? J 34, J mol 0,037 mol mol 34, J J ou 83,800 kj 0,037 mol La chaleur molaire de neutralisation de la base (l hydroxyde de potassium) est de 83,8 kj/mol. CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N THÉORIE

10 HISTOIRE DE SCIENCE La réfrigération Depuis la préhistoire, l être hu - main utilise différentes techni ques pour conserver des denrées alimentaires. L une d entre elles est d entreposer les aliments dans des endroits frais comme une fosse, un abri, une cave ou directement dans la neige. En Mésopotamie, on a découvert des constructions en terre, vieilles de plus de 4000 ans, qui auraient servi à conserver de la glace à cet effet. À partir du milieu du 9 e siècle jusqu aux années 930, les gla - cières domestiques sont de plus en plus répandues. Le compartiment inférieur de la glacière sert à conserver la nourriture rafraîchie par le bloc de glace du compartiment supérieur. La glace, récoltée l hiver, est ensuite stockée dans des entrepôts isolés par de la sciure de bois. La première réfrigération artificielle est attribuée au médecin William Cullen (70-790), de l université de Glasgow, en Écosse. En 7, il obtient un peu de glace en faisant évaporer de l eau sous une cloche à vide. En 80, l inventeur américain Oliver Evans (7-89) dessine la première machine réfrigérante à compression de vapeur. Ce système récupère la chaleur grâce à l éva - poration d un fluide réfri gé rant (l éther diéthylique), lequel est condensé de nouveau par compres sion. En 873, l ingénieur allemand Carl Von Linde (84-934) créera le premier réfrigérateur à compression fiable et efficace. Cet appareil utilise l éther diméthylique (CH 3 OCH 3 ) comme fluide réfrigérant. Parallèlement, le principe du réfri gérateur est appliqué pour refroidir l air des habitations. Ainsi, en 84, le médecin John Gorrie (803-8) conçoit un refroidisseur d air à compression basé sur l expansion rapide d un gaz. En 906, l ingénieur américain Willis H. Carrier (876-90) fait bre ve - ter son appareil, l ancêtre du climatiseur actuel. L ingénieur français Ferdinand Carré (84-900) invente, en 89, le réfrigérateur à absorption de gaz. Cet appareil utilise une source de chaleur, comme la combustion du propane, au lieu d un compresseur pour assurer les chan - gements de phase du fluide réfri gé - rant. Le pro cédé porte le nom de cycle de Carré. Ce type de réfri gé - rateur est utile dans les maisons non reliées au réseau électrique. Les réfrigérateurs d'aujourd'hui se perfectionnent continuellement. Ils sont souvent dotés d'accessoires, comme d'un distributeur de glaçons ou d'un affichage à cristaux liquides. En 93, le Dolmere (de l an glais Domestic Electric Refrigerator) est le premier réfrigérateur domestique à compression fabriqué en série. Le réfrigérateur moderne à deux températures (doté d un compartiment qui réfrigère et d un autre qui congèle) ne sera fabriqué qu en 939. En 930, des chercheurs mettent au point de nouveaux fluides réfrigérants non toxiques et non inflammables à base d hydro car - bures fluorés : les chlorofluoro - carbures (CFC). Cependant, on observe dès 974 que ces produits ont un effet de dégradation sur la couche d ozone. Depuis, ces fluides ont graduellement été remplacés par des hydrocarbures halogénés, comme le C H F 4, moins dommageables pour l environnement. L ÉVOLUTION DE LA RÉFRIGÉRATION DANS LE TEMPS Avant notre ère Entreposage dans un endroit frais Vers 80 Glacière domestique 89 Cycle de Carré 873 Réfrigérateur de Linde 939 Réfrigérateur à deux températures PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S THÉORIE

11 . La calorimétrie Exercices. Carolina brûle,80 g de phénol (C 6 H OH) dans une bombe calorimétrique ayant une capacité calorifique de,66 kj/ C. Elle note que la température passe de 4, C à 9,3 C. Quelle est la chaleur molaire de combustion du phénol? Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre C calorimètre T,66 kj/ C (9,3 C 4, C) 8,4 kj Détermination de la chaleur de réaction H réaction Q calorimètre 8,4 kj Calcul du nombre de moles M m n m,80 g D où n M 94, g/mol 0,09 mol Calcul de la chaleur molaire mol 8,4 kj? kj 0,09 mol 308,6 kj CHIMIE C H A P I T R E La chaleur molaire de combustion du phénol est de 3060 kj/mol.. Dans le but de calibrer une bombe calorimétrique, vous y brûlez un échantillon de,0 g de glucose (C 6 H O 6 ). Vous notez alors les données suivantes : Température initiale du calorimètre : 3, C Température finale du calorimètre : 6,7 C Si la chaleur molaire de combustion du glucose est de 80,4 kj/mol, quelle est la capacité calorifique du calorimètre? Conversion de la chaleur molaire en chaleur de réaction 80,4 kj 80,4 kj? kj mol équivaut à 80,8 g,0 g 80,4 kj,0 g 80,8 g 3,3 kj Détermination de la chaleur absorbée ou dégagée par le calorimètre H réaction Q calorimètre Q calorimètre +3,3 kj Calcul de la capacité calorifique Q calorimètre C calorimètre T D où C calorimètre Q calorimètre T 3,3 kj (6,7 C 3, C) 6,67 kj/ C La capacité calorifique du calorimètre est de 6,67 kj/ C. CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N EXERCICES 3

12 3. Au cours d une réaction, la température s élève de 8,0 C dans un calorimètre de polystyrène contenant 00,0 ml d eau. Quelle est la chaleur de cette réaction si l on considère que la capacité thermique du calorimètre est négligeable et qu il n y a aucune perte d énergie dans le milieu environnant? Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre Q eau m eau c eau T eau 00,0 g 4,9 J/g C 8,0 C J ou +, kj Détermination de la chaleur de réaction H réaction Q calorimètre, kj La chaleur de cette réaction est de, kj. 4. Dans un calorimètre contenant 0,0 ml d eau, Valérie dissout 4,80 g d hydroxyde de lithium (LiOH). Elle note que la température est passée de,0 C à 37,0 C après la dissolution complète de l hydroxyde de lithium. a) Calculez la quantité d énergie absorbée par l eau. Q eau m eau c eau T eau 0,0 g 4,9 J/g C (37,0 C,0 C) +74 J ou +7,4 kj La quantité d énergie absorbée par l eau est de 7,4 kj. b) Calculez la chaleur molaire de dissolution du LiOH. H réaction Q calorimètre 7,4 kj? kj? kj mol équivaut à 3,9 g 7,4 kj 4,80 g 3,9 g 7,4 kj 4,80 g 37,6 kj La chaleur molaire de dissolution du LiOH est de 37,6 kj/mol. 4 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S EXERCICES

13 c) Calculez la chaleur massique de dissolution du LiOH.? kj g 7,4 kj 4,80 g g 7,4 kj 4,80 g,7 kj CHIMIE C H A P I T R E La chaleur massique de dissolution du LiOH est de,7 kj/g. d) Écrivez l équation thermique de la dissolution. H O LiOH (s) LiOH (aq) H 37,6 kj ou H O LiOH (s) Li + (aq) + OH (aq) H 37,6 kj. En dissolvant,00 g d hydroxyde de potassium (KOH) dans 00,0 ml d eau à une température de 4,0 C, on constate que la température de l eau s élève jusqu à 36, C. a) Quelle est la chaleur molaire de dissolution de l hydroxyde de potassium? Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre Q eau m eau c eau T eau 00,0 g 4,9 J/g C (36, C 4,0 C) +,8 J Détermination de la chaleur de réaction H réaction Q calorimètre,8 J Calcul de la chaleur molaire? kj? kj mol équivaut à 6, g 6, g,8 kj,00 g 7,4 kj,8 kj,00 g La chaleur molaire de dissolution de l hydroxyde de potassium est de 7,4 kj/mol. b) Sachant que l hydroxyde de potassium est un électrolyte fort, écrivez l équation thermique qui représente cette transformation. H KOH (s) O K + (aq) + OH (aq) H 7,4 kj CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N EXERCICES

14 6. Ricardo dissout 9,60 g de nitrate de potassium dans 0,00 L d eau à 4,0 C. Il note alors que la température diminue de,0 C. a) Quelle est la chaleur molaire de dissolution du nitrate de potassium si l on se fie aux résultats obtenus par Ricardo? Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre Q eau m eau c eau T eau 00 g 4,9 J/g C,0 C 34, J ou 3,4 kj Détermination de la chaleur de réaction H réaction Q calorimètre +3,4 kj Calcul de la chaleur molaire? kj? kj mol équivaut à 0, g + 3,4 kj 9,60 g 0, g +3,4 kj 9,60 g +33, kj La chaleur molaire de dissolution du nitrate de potassium est de +33, kj/mol. b) Quel est le pourcentage d écart avec la valeur théorique donnée par les tableaux de référence? Valeur théorique Valeur expérimentale % d écart Valeur théorique 00 34,9 kj/mol 33, kj/mol 34,9 kj/mol 00, % Le pourcentage d écart est de, %. 7. Raphaëlle dissout 4,0 g de sulfate de cuivre (CuSO 4 ) dans 0 ml d eau. a) Quelle est la quantité d énergie qui intervient dans cette dissolution? Calcul de la chaleur de réaction? kj 67,7 kj/mol 4,0 g 9,6 g/mol 4,0 g 67,7 kj 9,6 g,74 kj La quantité d énergie est de,74 kj. 6 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S EXERCICES

15 b) Quelle est la variation de température du solvant? On considère qu il n y a aucune perte d énergie dans le milieu environnant. Q eau H réaction (,74 kj) +,74 kj 740 J Q eau m eau c eau T eau Q eau 740 J D où T eau m 0 g 4,9 J/g C,66 C eau c eau CHIMIE C H A P I T R E La variation de température du solvant est de,66 C. 8. Écrivez les équations de neutralisation acidobasique des substances suivantes : a) Une solution d hydroxyde de lithium (LiOH) réagit avec une solution d acide chlorhydrique (HCl). HCl (aq) + LiOH (aq) H O (l) + LiCl (aq) b) Une solution de dihydroxyde de magnésium (Mg(OH) ) réagit avec une solution d acide sulfurique (H SO 4 ). H SO 4(aq) + Mg(OH) (aq) H O (l) + MgSO 4(aq) c) Une solution d hydroxyde de potassium (KOH) réagit avec une solution d acide phosphorique (H 3 PO 4 ). H 3 PO 4(aq) + 3 KOH (aq) 3 H O (l) + K 3 PO 4(aq) 9. Karina mélange 00,0 ml d hydroxyde de sodium à,0 mol/l avec 00,0 ml d acide nitrique à,0 mol/l. Elle remarque alors que la température de la solution passe de 3,4 C à 3,4 C. Quelle est la chaleur molaire de neutralisation de l acide nitrique, si ce dernier a été entièrement neutralisé? Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre m eau c eau T eau 300,0 g 4,9 J /g C (3,4 C 3,4 C) 084 J ou,08 kj Détermination de la chaleur de réaction H réaction Q calorimètre,08 kj Calcul du nombre de moles n C V D où n CV,0 mol/l 0,0 L 0,0 mol Calcul de la chaleur molaire? J,08 kj mol 0,0 mol mol,08 kj 0,0 mol 7,4 kj La chaleur molaire de neutralisation de l acide nitrique est de 7,4 kj/mol. CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N EXERCICES 7

16 0. Le principal constituant de l essence est l octane (C 8 H 8 ). Afin de déterminer sa chaleur molaire de combustion, on fait brûler,0 g d octane dans une bombe calorimétrique. La chaleur ainsi obtenue permet de faire chauffer 0 g d eau de 0, C à 4, C. On considère que l énergie absorbée par les autres matériaux est négligeable. a) Quelle est la chaleur de combustion de l octane? Q eau m eau c eau T eau 0,0 g 4,9 J/g C 34,3 C J ou 79,0 kj H réaction Q calorimètre 79,0 kj b) Quelle est la chaleur massique de combustion de l octane?? kj g La chaleur de combustion de l octane est de 79,0 kj. 79,0 kj,0 g g 79,0 kj,0 g,7 kj /g La chaleur massique de combustion de l octane est de,7 kj /g.. Benjamin mélange 0,0 ml d une solution acide avec 0,0 ml d une solution basique. Chaque solution a une concentration de,00 mol/l et est à une température de,0 C. Si la chaleur molaire de neutralisation de l acide est de 0 kj/mol, quelle sera la température finale de la solution après réaction complète? On considère qu il n y a pas de perte d énergie dans le milieu environnant. Calcul du nombre de moles n C V D où n CV,00 mol/l 0,000 L 0,00 mol Calcul de la chaleur de réaction 0 kj? kj mol 0,00 mol 0 kj 0,00 mol mol,0 kj Détermination de la chaleur absorbée ou dégagée par le calorimètre Q calorimètre H réaction,0 kj ou J Q calorimètre m eau c eau T eau D où T eau Q calorimètre m eau c eau J 00,0 g 4,9 J/g C 9,7 C Calcul de la température finale T T f T i D où T f T + T i 9,7 C +,0 C 8,7 C La température finale sera de 8,7 C. Consulter le Compagnon Web pour d autres exercices en lien avec la section.. 8 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S EXERCICES

17 . La loi de Hess Certaines réactions s effectuent en plusieurs étapes. C est ce qu on appelle un «mécanisme de réaction». En additionnant les équations de chacune des étapes, on obtient l équation globale de la réaction. Les termes identiques placés du même côté de l équation ÉTYMOLOGIE «Mécanisme» vient du mot latin mechanicus, qui signifie «machine». s additionnent, tandis que les termes identiques placés de part et d autre de l équation se soustraient. Certains termes s annulent ainsi complètement et ne se retrouvent pas dans l équation globale. CONCEPT DÉJÀ VU o Balancement d équations chimiques CHIMIE C H A P I T R E DÉFINITION Un mécanisme de réaction est une suite chronologique d étapes qui conduisent des réactifs aux produits. Il se résume par une équation globale de la réaction. Voyons un exemple de mécanisme de réaction avec la formation du chlorure de sodium (NaCl) à partir du dichlore gazeux et du sodium solide (voir la FIGURE.9). Cette réaction s effectue selon les étapes indiquées ci-dessous:.9 La formation du chlorure de sodium à partir de dichlore et de sodium nécessite plusieurs étapes intermédiaires. Na (s) Na (g) H +07 kj Na (g) Na + (aq) + e H +496 kj Cl (g) Cl (g) H 3 + kj Cl (g) + e Cl (g) H kj Na + (g) + Cl (g) NaCl (s) H 786 kj Na (s) + Cl (g) NaCl (s) H total? D après ces données, quelle est la chaleur de la réaction globale? C est le chimiste russe Germain Henri Hess (80-80) qui, en 840, trouva la façon de répondre à cette question. Il observa que la chaleur d une réaction est la même, qu elle se fasse en une ou plusieurs étapes. Ainsi, la chaleur d une réaction est égale à la somme algébrique des chaleurs de chacune des étapes qui la constituent. C est ce qu on appelle la «loi de Hess». LIEN MATHÉMATIQUE Une somme algébrique est une suite d'additions et de soustractions. L'addition se fait en ajoutant chacun des termes de la somme et la soustraction se fait en ajoutant l'opposé des termes. CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N THÉORIE 9

18 DÉFINITION La loi de Hess stipule que, lorsqu une réaction est la somme algébrique de deux ou plusieurs réactions, la chaleur de cette réaction équivaut à la somme algébrique des chaleurs des réactions qui ont servi à établir cette somme. Dans l exemple, la chaleur de formation du NaCl (s) se calcule comme suit: H total H + H + H 3 + H 4 + H 07 kj kj + kj kj kj 4 kj Une application pratique de la loi de Hess La loi de Hess a permis aux scientifiques de déterminer la chaleur de réactions complexes. En effet, grâce à cette loi, il est possible de décortiquer une réaction en une série de réactions plus simples à réaliser par calorimétrie. Il suffit ensuite d additionner les chaleurs de ces étapes pour obtenir la chaleur de la réaction complexe. Voyons un exemple d application de la loi de Hess. Il consiste à calculer la chaleur de combustion de l éthane, C H 6(g), à l aide de réactions connues.. Il faut d abord écrire l équation globale de la réaction. Il ne faut pas oublier de la balancer lorsque c est nécessaire. C H 6(g) + 7 O (g) 4 CO (g) + 6 H O (g) H?. Il faut ensuite choisir des réactions dans lesquelles on trouve au moins l une des substances en jeu dans la réaction globale. On peut soit consulter les tableaux de référence, soit utiliser les réactions fournies par le problème. Voici les réactions utiles pour déterminer la chaleur de combustion de l éthane, et dont la chaleur de réaction est connue: C (s) + 3 H (g) C H 6(g) H 84,7 kj C (s) + O (g) CO (g) H 393, kj H (g) + O (g) H O (g) H 4,8 kj Dans cet exemple, il n est pas nécessaire de choisir une quatrième réaction pour le dioxygène, puisqu il est déjà présent dans deux des réactions choisies. 3. Il faut réorganiser les équations de sorte que chaque substance se trouve du bon côté de l équation et en quantité suffisante. Si nécessaire, on peut inverser une équation. Toutefois, dans ce cas, il ne faut pas oublier d inverser le signe du H. S il y a lieu, on peut aussi multiplier ou diviser chaque coefficient ainsi que la chaleur de réaction par un dénominateur commun. Dans l exemple: il faut inverser et multiplier par deux la première équation, afin d obtenir deux molécules de C H 6(g) du côté des réactifs: C H 6(g) 4 C (s) + 6 H (g) H ( 84,7 kj ) +69,4 kj.0 L éthane, un gaz présent dans le gaz naturel et le pétrole, est utilisé pour la production de l éthylène, une substance entrant dans la composition de matières plastiques. 0 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S THÉORIE

19 il faut multiplier par quatre la deuxième équation, afin d obtenir quatre molé cules de CO (g) du côté des produits: 4 C (s) + 4 O (g) 4 CO (g) H ( 393, kj 4) 74,0 kj il faut multiplier par six la troisième équation, afin d obtenir six molécules de H O (g) du côté des produits : 6 H (g) + 3 O (g) 6 H O (g) H ( 4,8 kj 6) 40,8 kj 4. Il faut additionner toutes les équations réorganisées afin de s assurer d obtenir la réaction de départ ainsi que la chaleur qui lui est associée. C H 6(g) 4 C (s) + 6 H (g) H +69,4 kj 4 C (s) + 4 O (g) 4 CO (g) H 74,0 kj 6 H (g) + 3 O (g) 6 H O (g) H 40,8 kj CHIMIE C H A P I T R E C H 6(g) + 7 O (g) 4 CO (g) + 6 H O (g) H 8,4 kj. S il y a lieu, on convertit le résultat obtenu en chaleur molaire (en kj/mol) ou en chaleur massique (en kj/g). Dans l exemple, la chaleur molaire de combustion de l éthane est de: 8,4 kj 47,7 kj/mol mol La FIGURE. résume les étapes à suivre pour déterminer la chaleur d une réaction par la loi de Hess. Cependant, selon le cas, certaines de ces étapes ne seront pas toujours nécessaires.. Écrire l équation globale balancée.. Choisir les équations pertinentes. 3. Réorganiser les équations en les inversant ou en les multipliant. 4. Additionner les équations ainsi que les chaleurs qui leur sont associées.. Convertir la valeur obtenue selon les exigences du problème à résoudre.. Les étapes à suivre pour déterminer la chaleur de réaction par la loi de Hess. Aujourd hui, il existe plusieurs tableaux de référence certains sont présentés en annexe dans lesquels on trouve les chaleurs associées à différentes transformations (chaleur de dissolution, chaleur de combustion, chaleur de fusion, chaleur de formation, etc.). Ces tableaux servent à l application de la loi de Hess. Il est toutefois important d écrire correctement les équations qui en découlent. Le tableau le plus utile est sans contredit le tableau des chaleurs de formation (voir l annexe 4). Une formation est une réaction au cours de laquelle une substance est formée à partir de ses éléments sous leur forme la plus stable. Par exemple, l équation de formation de l eau sous forme liquide s écrit comme suit: H (g) + O (g) H O (l) H 8,8 kj La forme la plus stable de l hydrogène et de l oxygène est leur forme diatomique. On écrit donc H et O dans l équation. Comme la chaleur de formation est toujours indiquée en kj/mol de produit, on doit utiliser des coefficients fractionnaires lorsque nécessaire pour que l équation balancée corresponde à la formation d une mole de produit. CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N THÉORIE

20 Voyons un exemple d utilisation du tableau des chaleurs de formation. Quelle est la chaleur molaire de combustion du monoxyde de carbone?. Écrire l équation globale balancée. CO (g) + O (g) CO (g) H?. Choisir les équations pertinentes. C (s) + O (g) CO (g) H 0, kj C (s) + O (g) CO (g) H 393, kj Les équations découlent des chaleurs de formation de l annexe et 4. Réorganiser et additionner les équations. CO (g) C (s) + O (g) H +0, kj C (s) + O (g) CO (g) H 393, kj CO (g) + O (g) CO (g) H 83,0 kj La chaleur molaire de combustion du monoxyde de carbone est de 83,0 kj/mol. La représentation graphique d un mécanisme de réaction On peut représenter un mécanisme de réaction par un diagramme énergétique. La FIGURE. illustre un mécanisme possible pour la formation du butane (C 4 H 0(g) ), qui s effectue selon les étapes suivantes: Étape : 4 C (s) + 4 O (g) 4 CO (g) H 74,0 kj Étape : H (g) + O (g) H O (g) H 09,0 kj Étape 3: 4 CO (g) + H O (g) C 4 H 0(g) + 3 O (g) H +67,4 kj L interprétation de ce diagramme permet de déterminer la chaleur de réaction ( H) et l énergie d activation (E a ) de chacune des étapes (voir le chapitre 4).. LE DIAGRAMME ÉNERGÉTIQUE DE LA FORMATION DU BUTANE H (kj) , C (s) + H (g) Réactifs Étape Étape Étape 3 E a C 4 H 0(g) Produit H H H p H r 74,0 kj 0 kj 74,0 kj H 783,0 kj 74,0 kj 09,0 kj ,0 H E a H 3 H 3,6 kj 783,0 kj +67,4 kj 000 H E a3 783, Progression de la réaction PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S THÉORIE

21 . La loi de Hess Exercices. Déterminez l équation globale de chacun des mécanismes de réaction suivants. a) H SO 4(l) H (g) + S (s) + O (g) H +8,3 kj H SO 4(l) H (g) + S (s) + O (g) H (g) + O (g) H O (g) H 4,8 kj H (g) + O (g) H O (g) S (s) + O (g) SO (g) H 96, kj S (s) + O (g) SO (g) H SO 4(l) O (g) + H O (g) + SO (g) H +73,4 kj CHIMIE C H A P I T R E b) N O (g) N (g) + O (g) + 8,6 kj N O (g) N (g) + O (g) H 8,6 kj N (g) + O (g) + 67,8 kj NO (g) N (g) + O (g) NO (g) H +67,8 kj 3 N O (g) + O (g) NO (g) H 3,8 kj c) H S (g) H (g) + S (s) H +0, kj H S (g) H (g) + S (s) H (g) + O (g) H O (g) H 4,8 kj H (g) + O (g) H O (g) S (s) + O (g) SO (g) H 96, kj S (s) + O (g) SO (g) 3 H S (g) + O (g) H O (g) + SO (g) H 7,7 kj d) C H O 4 C (s) + H (g) + O (g) H +,7kJ/mol de sucre 4 C (s) + 4 O (g) 4 CO (g) H 393, kj/mol de CO (g) H (g) + O (g) H O (g) H 4,8 kj/mol de H O (g) C H O (s) 4 C (s) + H (g) + O (g) H +4443,4 kj 4 C (s) + 4 O (g) 4 CO (g) H 9444 kj H (g) + O (g) H O (g) H 39,6 kj C H O (s) + 4 O (g) 4 CO (g) + H O (g) H 0 30, kj CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N EXERCICES 3

22 . À l aide des équations suivantes : N (g) + 3 H (g) NH 3(g) H 9,6 kj N (g) + O (g) NO (g) H +67,8 kj H (g) + O (g) H O (g) H 4,8 kj Déterminez la chaleur de la réaction d oxydation de l ammoniac, dont voici l équation globale : 4 NH 3(g) + 7 O (g) 4 NO (g) + 6 H O (g) 4 NH 3(g) N (g) + 6 H (g) H +9,6 kj +8, kj N (g) + 4 O (g) 4 NO (g) H +67,8 kj +3,6 kj 6 H (g) + 3 O (g) 6 H O (g) H 4,8 kj 6 40,8 kj 4 NH 3(g) + 7 O (g) 4 NO (g) + 6 H O (g) H 30,0 kj 3. À l aide des équations ci-dessous : H (g) + O (g) H O (g) H 4 kj SO (g) S (s) + O (g) H +97 kj H (g) + S (s) + O (g) H SO 4(aq) H 909 kj H (g) + S (s) + O (g) H SO 4(l) H 84 kj Calculez la chaleur de la réaction suivante : H SO 4(l) SO (g) + H O (g) + O (g) H SO 4(l) H (g) + S (s) + O (g) H +84 kj S (s) + O (g) SO (g) H 97 kj H (g) + O (g) H O (g) H 4 kj H SO 4(g) SO (g) + H O (g) + O (g) H +7 kj 4 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S EXERCICES

23 4. Calculez la chaleur molaire de réaction du monoxyde d azote selon l équation suivante : 3 NO (g) + O (g) N O (g) Pour ce faire, utilisez les réactions ci-dessous : N (g) + O (g) N O (g) H +,3 kj N (g) + O (g) NO (g) H +90,3 kj NO (g) N (g) + O (g) H ( 90,3 kj ) 80,6 kj N (g) + O (g) N O (g) H +,3 kj 3 NO (g) + O (g) N O (g) H 69,3 kj 69,3 kj? kj mol mol 69,3 kj mol mol 84,6 kj CHIMIE C H A P I T R E La chaleur molaire de la réaction du monoxyde d azote est de 84,7 kj/mol.. Déterminez la chaleur molaire de formation du disulfure de carbone gazeux (CS ), étant donné les réactions suivantes : C (s) + O (g) CO (g) + 393, kj S (s) + O (g) SO (g) + 96,8 kj CS (g) + 3 O (g) CO (g) + SO (g) + 07 kj L équation globale C (s) + S (s) CS (g) C (s) + O (g) CO (g) H 393, kj S (s) + O (g) SO (g) H 96,8 kj 93,6 kj CO (g) + SO (g) CS (g) + 3 O (g) C (s) + S (s) CS (g) H +07 kj H +8 kj CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N EXERCICES

24 6. Écrivez les équations thermiques des réactions de formation des substances suivantes (voir l annexe 4). a) NF 3(g) N (g) + 3 F (g) NF 3(g) H 4,7 kj b) HCN (g) H (g) + C (s) + N (g) HCN (g) H +3 kj c) Trioxyde de dialuminium Al (s) + 3 O (g) Al O 3(s) H 676 kj d) Sulfate de magnésium Mg (s) + S (s) + O (g) MgSO 4(s) H 8 kj 7. À l aide du tableau des chaleurs de formation (voir l annexe 4), calculez la chaleur des réactions suivantes : a) NO (g) + O (g) NO (g) NO (g) N (g) + O (g) H 90,3 kj N (g) + O (g) NO (g) H +33, kj NO (g) + O (g) NO (g) H 7, kj b) CO (g) + O (g) CO (g) CO (g) C (s) + O (g) H +0, kj + kj C (s) + O (g) CO (g) H 393, kj 787 kj CO (g) + O (g) CO (g) H 66 kj 6 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S EXERCICES

25 c) La vaporisation de l eau. L équation globale H O (l) H O (g) H O (l) H (g) + O (g) H +8,8 kj H (g) + O (g) H O (g) H 4,8 kj H O (l) H O (g) H +44,0 kj CHIMIE C H A P I T R E 8. Les lampes à acétylène, utilisées notamment par les spéléologues, produisent une lumière très vive. Cette lumière est caractéristique de la combustion de l acétylène. La grande chaleur de combustion de l acétylène permet aussi de produire une flamme adaptée à la soudure et d effectuer l assemblage de différents métaux. Calculez la chaleur molaire de combustion de l acétylène (C H (g) ) à l aide des équations suivantes : C H (g) C (s) + H (g) + 6,7 kj H (g) + O (g) H O (g) + 4,8 kj C (s) + O (g) CO (g) + 393, kj L équation globale C H (g) + O (g) 4 CO (g) + H O (g) C H (g) 4 C (s) + H (g) H 6,7 kj 43,4 kj 4 C (s) + 4 O (g) 4 CO (g) H 393, kj 4 74 kj H (g) + O (g) H O (g) H 4,8 kj 483,6 kj C H (g) + O (g) 4 CO (g) + H O (g) H kj Calcul de la chaleur molaire kj mol, kj/mol La chaleur molaire de combustion de l acétylène est de 6 kj/mol. CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N EXERCICES 7

26 9. Quelle est la chaleur de combustion du C 3 H 8(g)? Répondez à cette question à l aide des tableaux en annexe. L équation globale C 3 H 8(g) + O (g) 3 CO (g) + 4 H O (g) C 3 H 8(g) 3 C (s) + 4 H (g) H +03,8 kj 3 C (s) + 3 O (g) 3 CO (g) H 393, kj 3 80, kj 4 H (g) + O (g) 4 H O (l) H 8,8 kj 4 43, kj C 3 H 8(g) + O (g) 3 CO (g) + 4 H O (g) H 9,9 kj 0. Voici le diagramme énergétique de la réaction A + B C + D. H (kj) a) Combien d étapes le mécanisme de réaction illustré comporte-t-il? Ce mécanisme comporte quatre étapes. Progression de la réaction b) Quelle est l enthalpie des réactifs? H r 0 kj 8 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S EXERCICES

27 c) Quelle est l enthalpie des produits? H p 0 kj d) Quelle est la variation d enthalpie de la réaction directe? CHIMIE C H A P I T R E H H p H r 0 kj 0 kj 0 kj e) Quelle est l énergie d activation de la première étape? E a H ca H r 0 kj 0 kj 0 kj f) Quelle est l enthalpie du deuxième complexe activé? H ca 60 kj g) Quelle est l énergie d activation de la deuxième étape? E a H ca H r 60 kj 0 kj 0 kj h) Quelle est la variation d enthalpie de la première étape? H H p H r 0 kj 0 kj 0 kj CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N EXERCICES 9

28 i) Quelle est la variation d enthalpie de la deuxième étape? H H p H r 40 kj 0 kj +30 kj. Voici les trois étapes d un mécanisme de réaction : Étape : A + B + Énergie X Étape : X Y + Énergie Étape 3 : Y + Énergie C + D L équation globale de la réaction est la suivante : A + B + Énergie C + D Quel graphique, parmi les suivants, représente correctement ces données? a) b) H (kj) H (kj) Progression de la réaction Progression de la réaction c) d) H (kj) H (kj) Progression de la réaction Progression de la réaction Consulter le Compagnon Web pour d autres exercices en lien avec la section.. 30 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S EXERCICES

29 Résumé La chaleur molaire d une réaction. LA CALORIMÉTRIE La loi de la conservation de l énergie stipule que l énergie ne peut être ni créée ni détruite. Ainsi, dans un système isolé: l énergie absorbée par une transformation est équivalente à l énergie fournie par ce système; l énergie dégagée par une transformation est équivalente à l énergie absorbée par ce système. La calorimétrie est une méthode expérimentale qui permet de déterminer la chaleur d une réaction en calculant la quantité d énergie absorbée ou dégagée par un système isolé. Un calorimètre est un appareil isolé qui permet de prendre les mesures nécessaires pour effectuer les calculs de calorimétrie. Les calorimètres peuvent prendre plusieurs formes, selon le type de transformation dont on veut mesurer la chaleur de réaction: la transformation peut s effectuer directement dans l eau que contient le calorimètre; elle peut aussi s effectuer dans une bombe calorimétrique. Tous les matériaux d un calorimètre prennent part aux transferts thermiques. La capacité calorifique d un calorimètre correspond à la quantité d énergie nécessaire à une variation de température de C de l ensemble de ses composantes. Elle s exprime en J/ C ou en kj/ C. La chaleur absorbée ou dégagée par un calorimètre se calcule à l aide de la formule mathématique suivante: Q calorimètre C calorimètre T. La chaleur absorbée ou dégagée par un calorimètre est toujours de signe contraire à la chaleur de réaction. Ainsi: H réaction Q calorimètre. Mesurer la variation de température de l eau d un calorimètre révèle la nature endothermique ou exothermique d une transformation. LA VARIATION DE TEMPÉRATURE D UN CALORIMÈTRE EN FONCTION DU TYPE DE TRANSFORMATION Variation de Signe du T Transformation Signe du H température ( T) et du Q calorimètre du calorimètre La température diminue Négatif Endothermique Positif La température augmente Positif Exothermique Négatif CHAPITRE CHIMIE C H A P I T R E Étant donné que le polystyrène participe peu aux échanges thermiques, la chaleur absorbée ou dégagée par un calorimètre de polystyrène peut se calculer à l aide de la formule mathématique suivante: Q calorimètre m eau c eau T eau. CHAPITRE L A C H A L E U R M O L A I R E D U N E R É AC T I O N THÉORIE 3

30 Le calorimètre de polystyrène est très utile pour déterminer la chaleur des transformations qui s effectuent en milieu aqueux, comme la dissolution ou la neutralisation acidobasique. La chaleur molaire de dissolution correspond à la quantité d énergie absorbée ou dégagée lors de la dissolution d une mole de soluté dans un solvant. La chaleur molaire de neutralisation acidobasique correspond à la quantité d énergie absorbée ou dégagée lors de la neutralisation d une mole d acide ou d une mole de base.. LA LOI DE HESS Un mécanisme de réaction est une suite chronologique d étapes qui conduisent des réactifs aux produits. Il se résume par une équation globale de la réaction. On peut additionner les équations de chacune des étapes d un mécanisme de réaction pour obtenir l équation globale de la réaction: les termes identiques placés du même côté de l équation s additionnent. les termes identiques placés de part et d autre de l équation se soustraient. La loi de Hess stipule que, lorsqu une réaction est la somme algébrique de deux ou plusieurs réactions, la chaleur de cette réaction équivaut à la somme algé - brique des chaleurs des réactions qui ont servi à établir cette somme. Voici les étapes à suivre pour déterminer la chaleur de réaction par la loi de Hess:. Écrire l équation globale balancée.. Choisir les équations pertinentes. 3. Réorganiser les équations en les inversant ou en les multipliant. 4. Additionner les équations ainsi que les chaleurs qui leur sont associées.. Convertir la valeur obtenue selon les exigences du problème à résoudre. On peut représenter un mécanisme de réaction par un diagramme énergétique, comme celui ci-dessous. LE DIAGRAMME ÉNERGÉTIQUE DE LA FORMATION DU BUTANE H (kj) , C (s) + H (g) Réactifs Étape Étape Étape 3 E a C 4 H 0(g) Produit H H H p H r 74,0 kj 0 kj 74,0 kj H 783,0 kj 74,0 kj 09,0 kj ,0 H E a H 3 H 3,6 kj 783,0 kj +67,4 kj 000 H E a3 783, Progression de la réaction 3 PARTIE II L A S P E C T É N E R G É T I Q U E D E S T R A N S F O R M AT I O N S THÉORIE