Propriétés des gaz et énergie chimique

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1 Propriétés des gaz et énergie chimique CHI Activité notée 4 Date de remise :... Identification Nom :... Adresse : Tél :... Courriel :... Note :... /100

2 CHI PROPRIÉTÉS DES GAZ ET ÉNERGIE CHIMIQUE Cette activité notée a été produite par la Société de formation à distance des commissions scolaires du Québec (SOFAD). Équipe de production Chargé de projets : Rédaction : Illustration : Révision de contenu : Révision linguistique : Maquette graphique, mise en page et infographie : Lecture d épreuves : Alain Pednault (SOFAD) Judith Sévigny Marc Tellier Gilles St-Louis Johanne St-Martin Daniel Rémy (I. D. Graphique inc.) Johanne St-Martin Nonobstant l énoncé suivant, la SOFAD autorise tout centre d éducation aux adultes qui utilise le guide d apprentissage correspondant à reproduire cette activité notée. SOFAD, 2016 Tous droits de traduction et d adaptation, en totalité ou en partie, réservés pour tous pays. Toute reproduction, par procédé mécanique ou électronique, y compris la microreproduction, est interdite sans l autorisation écrite d un représentant dûment autorisé de la SOFAD. SOFAD

3 ACTIVITÉ NOTÉE 4 La plupart des établissements de formation exigent que vous obteniez une moyenne de 60 % et plus aux activités notées pour vous autoriser à vous présenter à l épreuve officielle. L activité notée 4 porte sur les séquences d apprentissage 5 et 6 du guide Propriétés des gaz et énergie chimique. Dès qu elle sera terminée, faites-la parvenir à votre formateur ou à votre formatrice avec les documents d accompagnement, s il y a lieu. SOFAD 3

4 CHI PROPRIÉTÉS DES GAZ ET ÉNERGIE CHIMIQUE Directives Remplissez la partie «Identification». Lisez bien l énoncé des questions avant d y répondre. Inscrivez vos réponses dans les espaces prévus à cette fin, en donnant des solutions complètes, s il y a lieu. Une pondération est indiquée à la droite des diverses sections de l activité notée. Vous pouvez utiliser la calculatrice pour réaliser cette activité notée. 4 SOFAD

5 ACTIVITÉ NOTÉE 4 Activité notée 4 /100 points Moment de la remise Après les séquences d apprentissage 5 et 6. Concepts abordés Relation entre l énergie thermique, la capacité thermique massique, la masse et la variation de température (Q = mcdt). Réactions endothermique et exothermique. Variation d enthalpie. Chaleur molaire de réaction. Diagramme énergétique. Énergie d activation. A. Évaluation explicite des connaissances /25 points O Les questions 1 à 3 portent sur la nitroglycérine (C 3 H 5 N 3 O 9 ), un explosif très instable H qui fut surtout utilisé au 19 e N O siècle. La réaction explosive s écrit comme suit : H C O O H C O N O 4 C 3 H 5 N 3 O 9(l) 12 CO 2(g) + 10 H 2 O (g) + 6 N 2(g) + O 2(g) O H C O La forme de la nitroglycérine est illustrée ci-contre. N O H 1. Déterminez la variation d enthalpie de cette réaction, en considérant les énergies de liaison suivantes : O-H : 464 kj/mol O=O : 502 kj/mol C-C : 347 kj/mol C-H : 414 kj/mol C-O : 351 kj/mol C=O (dans le CO 2 ) : 799 kj/mol N-N : 159 kj/mol NºN : 945 kj/mol N-O : 201 kj/mol N=O : 607 kj/mol SOFAD 5

6 CHI PROPRIÉTÉS DES GAZ ET ÉNERGIE CHIMIQUE 2. Si un échantillon de 5,0 g de nitroglycérine explose, quelle sera l énergie dégagée par la réaction? 3. S agit-il d une réaction endothermique ou exothermique? Expliquez. 4. Dites si l énoncé suivant est vrai ou faux. S il est faux, corrigez-le. «La capacité thermique massique est la chaleur nécessaire pour élever de 1 C la température de 1 g de substance.» 5. Complétez le diagramme énergétique d une réaction endothermique ci-dessous. Indiquez-y la variation d enthalpie de la réaction de même que son énergie d activation. Enthalpie Complexe activé Produits Progression de la réaction 6 SOFAD

7 ACTIVITÉ NOTÉE 4 Les questions 6 à 8 portent sur la dissolution de l hydroxyde de potassium (KOH), qui libère 57,7 kj/mol. Dans un système bien isolé, on dissout 5,00 g de KOH dans 100 ml d eau à 15,0 C. 6. Écrivez l équation de dissolution du KOH, incluant le terme énergétique. 7. Pendant la dissolution, la température de la solution va-t-elle monter ou descendre? Expliquez. 8. De combien de degrés la température de la solution changera-t-elle? Considérez que toute la chaleur est transférée à l eau. 9. Jacques a déterminé expérimentalement la chaleur molaire de combustion d une substance. Il a obtenu DH = kj/mol. Samantha soutient qu il y a erreur, que la valeur devrait être négative. Qui a raison? Expliquez. 10. Quelle est la capacité thermique massique de l eau pure? a) 4,18 J g/ C b) 4,18 J C/g c) 4,18 J/g C d) 4,18 C/J g SOFAD 7

8 CHI PROPRIÉTÉS DES GAZ ET ÉNERGIE CHIMIQUE Les questions 11 à 14 portent sur la combustion du butane : C 4 H 10(g) O 2(g) 4 CO 2(g) + 5 H 2 O (g). 11. Déterminez la chaleur molaire de combustion du butane en appliquant la loi de Hess. Pour ce faire, vous disposez des équations suivantes : CO (g) O 2(g) CO 2(g) kj H 2 O (g) kj H 2(g) O 2(g) 4 C (s) + 5 H 2(g) 126 kj + C 4 H 10(g) C (s) + O 2(g) CO 2(g) kj CO (g) + H 2(g) H 2 O (g) + C (s) kj 12. En considérant les énergies de liaison des réactifs présentées à la question 1 de l activité notée, calculez l énergie d activation de la réaction de combustion du butane. La structure de la molécule de butane est illustrée ci-contre. H C C C C H 8 SOFAD

9 ACTIVITÉ NOTÉE Tracez le diagramme énergétique de la combustion du butane. 14. Quelle masse de butane doit-on brûler pour faire passer la température de 500 ml d eau de 20 C à 80 C? On suppose que l eau absorbe toute la chaleur résultant de la combustion du butane. 15. Parmi les réactions suivantes, laquelle ou lesquelles sont exothermiques? a) CH 4(g) + 2 O 2(g) CO 2(g) + 2 H 2 O (g) kj b) CO 2(g) C (s) + O 2(g) DH = 393,5 kj/mol CO 2(g) c) N 2(g) + 2 O 2(g) + 66,4 kj 2 NO 2(g) d) 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (g) DH = -252 kj/mol H 2 O (g) 16. De quelle façon le transfert d énergie thermique se fait-il entre deux corps de températures différentes? SOFAD 9

10 CHI PROPRIÉTÉS DES GAZ ET ÉNERGIE CHIMIQUE Les questions 17 à 19 portent sur l expérience suivante : on dissout 4,00 g de nitrate d ammonium (NH 4 NO 3(s) ) dans 200 ml d eau et on constate une chute de température de 21,2 C à 19,6 C. 17. La dissolution du nitrate d ammonium est-elle une réaction endothermique ou exothermique? Expliquez. 18. Quelle quantité de chaleur est dégagée ou absorbée par la réaction lors de cette expérience? 19. Déterminez la chaleur molaire de dissolution du nitrate d ammonium dans l eau. 20. Si l on place 20,0 g de cuivre (c Cu = 0,384 J/g C) à 45,0 C dans 100 ml d eau pure à 10,0 C, quelle sera la température des deux substances lorsque l équilibre thermique sera atteint? 10 SOFAD

11 ACTIVITÉ NOTÉE L oxydation du fer est un processus lent dont l équation est la suivante : 4 Fe (s) + 3 O 2(g) 2 Fe 2 O 3(s) kj Quelle quantité de chaleur est dégagée par l oxydation de 14,0 g de fer? 22. L équation de la synthèse du trioxyde de soufre est la suivante : 2 SO 2(g) + O 2(g) 2 SO 3(g) kj. Quelle est la chaleur molaire de formation du SO 3(g)? 23. À l aide d un élément de cuisinière de W, on chauffe 1,5 L d huile végétale pour de la friture. Idéalement, en combien de temps l huile atteindra-t-elle son point de fumée, qui est de 220 C, si elle est initialement à 20 C? La capacité thermique massique de l huile est de 1,30 J/g C et sa masse volumique est de 0,91 g/cm 3. SOFAD 11

12 CHI PROPRIÉTÉS DES GAZ ET ÉNERGIE CHIMIQUE 24. Déterminez la chaleur molaire de synthèse du sulfate d hydrogène (H 2 SO 4(l) ) à partir des réactions ci-dessous : H 2(g) O 2(g) H 2 O (g) kj SO 2(g) kj S (s) + O 2(g) H 2(g) + S (s) + 2 O 2(g) H 2 SO 4(aq) kj H 2 SO 4(l) H 2 SO 4(aq) + 95 kj L équation de la synthèse du sulfate d hydrogène est la suivante : SO 2(g) + H 2 O (g) O 2(g) H 2 SO 4(l). 25. Un litre d eau pure et un kilogramme de glace absorbent tous deux la même quantité de chaleur. Lequel des deux subira une plus grande variation de sa température, sachant que la capacité thermique massique de la glace est de 2,03 J/g C? On suppose que les deux substances ne subissent pas de changement de phase. 12 SOFAD

13 ACTIVITÉ NOTÉE 4 B. Évaluation des compétences : La lampe à acétylène /75 points But Mettre à profit ses habiletés en résolution de problème et ses connaissances sur la chaleur molaire de réaction, la loi de Hess et le diagramme énergétique. Les spéléologues explorent le monde souterrain en arpentant les grottes. Puisque la lumière du soleil n atteint pas ces lieux profonds, les explorateurs doivent se munir de sources d éclairage à la fois légères, compactes, autonomes et puissantes. C est dans cette optique que la lampe de spéléologie à acétylène a été conçue. Cet appareil permet de produire de la lumière en mettant à profit des réactions chimiques. Bien que les éclairages à diodes électroluminescentes (DEL) soient populaires, la lampe à acétylène est encore utilisée de nos jours par des adeptes de spéléologie, en particulier à cause de sa versatilité (p. ex. la flamme permet de se tenir au chaud ou peut servir à réchauffer un aliment) et de son autonomie (environ 8 heures). Votre tâche Vous devrez expliquer le fonctionnement d une lampe à acétylène utilisée en spéléologie en vous concentrant sur l aspect énergétique des réactions utilisées. La lampe à acétylène Le schéma ci-contre illustre le fonctionnement de la lampe à acétylène utilisée notamment en spéléologie. Vis réglant l admission d eau Plutôt que de transporter un réservoir d acétylène (C 2 H 2(g) ) lourd et encombrant, les spéléologues transportent du Eau dicarbure de calcium sous forme solide (CaC 2(s) ). Lorsque le temps est venu de s éclairer, on place une quantité de dicarbure de calcium dans le réservoir du bas de la lampe, au-dessus duquel un deuxième réservoir accueille de l eau (H 2 O (l) ). Un petit trou à la base du réservoir d eau permet au liquide de s égoutter lentement sur le dicarbure de calcium. La réaction entre ces deux réactifs produit de l acétylène gazeux et de l oxyde de calcium solide (CaO (s) ). Le gaz est acheminé par un tuyau vers le bec où il s enflamme lorsque mis en contact avec une étincelle. Le réflecteur dont est munie la lampe permet de concentrer et de diriger la lumière vive produite par la combustion de l acétylène dans l air. Bec Réflecteur Gaz acétylène Carbure de calcium SOFAD 13

14 CHI PROPRIÉTÉS DES GAZ ET ÉNERGIE CHIMIQUE Ainsi, la production de lumière par la lampe à acétylène repose sur deux réactions chimiques, soit la synthèse de l acétylène et sa combustion. 26. Écrivez les équations balancées de ces deux réactions chimiques. Synthèse de l acétylène : Combustion de l acétylène : La synthèse de l acétylène La synthèse de l acétylène à partir du dicarbure de calcium se fait en deux étapes. Dans un premier temps, le dicarbure de calcium réagit avec de l eau pour former de l acétylène et de l hydroxyde de calcium (Ca(OH) 2(s) ). Pour cette réaction, DH = -125 kj/mol CaC 2(s). Par la suite, l hydroxyde de calcium réagit avec le dicarbure de calcium pour former à nouveau de l acétylène en plus d oxyde de calcium. Pour cette réaction, DH = 3 kj/mol CaC 2(s). 27. Écrivez les équations balancées de ces deux réactions, en prenant soin d y inclure le terme énergétique. 28. Mettez en application la loi de Hess afin de déterminer la chaleur molaire de formation de l acétylène. 29. Cette réaction est-elle endothermique ou exothermique? Expliquez. 14 SOFAD

15 ACTIVITÉ NOTÉE On place 150 g de dicarbure de calcium dans le réservoir inférieur de la lampe. a) Quelle quantité d acétylène peut être produite? b) Quel volume d eau est nécessaire pour réagir complètement avec cette masse de dicarbure de calcium? c) Quelle quantité de chaleur est impliquée dans la réaction entre l eau et le dicarbure de calcium? SOFAD 15

16 CHI PROPRIÉTÉS DES GAZ ET ÉNERGIE CHIMIQUE La combustion de l acétylène 31. Déterminez la chaleur molaire de combustion de l acétylène à partir des équations suivantes. H 2(g) O 2(g) H 2 O (g) DH = -242 kj/mol H 2 O (g) C (s) O 2(g) CO (g) DH = -111 kj/mol CO (g) Ca (s) O 2(g) CaO (s) DH = -635 kj/mol CaO (s) 2 C (s) + H 2(g) C 2 H 2(g) DH = 227 kj/mol C 2 H 2(g) C (s) + O 2(g) CO 2(g) DH = -394 kj/mol CO 2(g) 32. À l aide des énergies de liaison ci-dessous, calculez l énergie d activation de la combustion de l acétylène. Liaison C-H : 414 kj/mol Liaison CºC : 811 kj/mol Liaison C=O (dans le CO 2 ) : 799 kj/mol Liaison O-H : 464 kj/mol Liaison O=O : 502 kj/mol 16 SOFAD

17 ACTIVITÉ NOTÉE Tracez le diagramme énergétique de la combustion de l acétylène. 34. Quelle quantité de chaleur est dégagée par la combustion de tout l acétylène produit à partir de 150 g de dicarbure de calcium? Le fonctionnement de la lampe à acétylène 35. Expliquez en détail le fonctionnement de la lampe à acétylène, en incluant les données que vous avez calculées dans cette activité. SOFAD 17

18 CHI PROPRIÉTÉS DES GAZ ET ÉNERGIE CHIMIQUE 18 SOFAD

19 ACTIVITÉ NOTÉE 4 Grille d évaluation des compétences : La lampe à acétylène Qu est-ce qu une compétence? Une compétence est définie comme un savoir-agir fondé sur l utilisation et la mobilisation d un ensemble de ressources permettant de faire face à une situation d une certaine complexité. Dans le cadre de l activité «La lampe à acétylène», les deux compétences suivantes ont été mobilisées : «Mettre à profit ses connaissances en chimie» et «Communiquer sur des questions de chimie à l aide des langages utilisés en science et en technologie». La grille suivante sera utilisée par votre enseignant ou votre tuteur pour évaluer votre rendement dans la réalisation de l activité. Pour chaque critère d évaluation, il sélectionnera les énoncés décrivant le mieux votre situation en cochant les pointages correspondants. Critère d évaluation : Interprétation appropriée de la problématique Échelle d appréciation Excellent Très bien Bien Faible Très faible Note 1. Démontre une Démontre une Démontre une certaine Démontre une Démontre une compréhension adéquate compréhension acceptable compréhension de la compréhension inadéquate compréhension pauvre de de la problématique en de la problématique en problématique en écrivant de la problématique en la problématique en écrivant écrivant les équations écrivant les équations les équations balancées des écrivant les équations les équations balancées des balancées des réactions. balancées des réactions. réactions. balancées des réactions. réactions points 7-8 points 5-6 points 3-4 points 1-2 points /10 SOFAD 19

20 CHI PROPRIÉTÉS DES GAZ ET ÉNERGIE CHIMIQUE Critère d'évaluation : Utilisation pertinente des connaissances en chimie Échelle d appréciation Excellent Très bien Bien Faible Très faible Note 2. Mobilise parfaitement ses Mobilise correctement ses Mobilise sommairement Mobilise peu ses Mobilise très peu ses connaissances en traitant connaissances en traitant ses connaissances connaissances en traitant connaissances en traitant de l aspect énergétique des de l aspect énergétique des en traitant de l aspect de l aspect énergétique des de l aspect énergétique des réactions chimiques. réactions chimiques. énergétique des réactions réactions chimiques. réactions chimiques. chimiques points points points 6-10 points 1-5 points /25 3. Semble démontrer une Semble démontrer une très Semble démontrer une assez Semble démontrer une Semble démontrer une très excellente mise en œuvre bonne mise en œuvre de bonne mise en œuvre de faible mise en œuvre de faible mise en œuvre de de ses connaissances de la ses connaissances de la loi de ses connaissances de la loi de ses connaissances de la loi de ses connaissances de la loi de loi de Hess par un traitement Hess par un traitement des Hess par un traitement des Hess par un traitement des Hess par un traitement des des données très complet. données assez complet. données sommaire. données incomplet. données très incomplet points points points 6-10 points 1-5 points /25 20 SOFAD

21 ACTIVITÉ NOTÉE 4 Critère d évaluation : Production adéquate d explications Échelle d appréciation Excellent Très bien Bien Faible Très faible Note 4. Présente très clairement Présente assez clairement Présente avec un léger Présente avec un manque Présente d une façon des explications des explications concernant manque de clarté des de clarté des explications confuse des explications concernant le le fonctionnement de la lampe explications concernant le concernant le fonctionnement concernant le fonctionnement fonctionnement de la lampe à acétylène. fonctionnement de la lampe à de la lampe à acétylène. de la lampe à acétylène. à acétylène. acétylène points points 7-9 points 4-6 points 1-3 points /15 La note 0 est attribuée lorsque le rendement de l apprenant ne correspond en rien aux énoncés inscrits dans la grille. Résultat : /75 points SOFAD 21

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24 Questions ou commentaires de l apprenant ou de l apprenante Remarques du formateur ou de la formatrice Janvier 2016