Semestre 02 (S2) Module: TP Chimie 02. TP N 01 : Equation d'état des gaz f(n, P, V, T) = 0. TP N 02: Mesures Calorimétriques :

Transcription

1 Université de Jijel Faculté des sciences et de la technologie Département : E.F.S.T - 1 ère année socle commun ST Semestre 02 (S2) Module: TP Chimie 02 TP N 01 : Equation d'état des gaz f(n, P, V, T) = 0 Manipe 01 : Détermination de la masse molaire d un liquide : le Méthanol Manipe 02 : Vérification des 03 lois fondamentales des gaz parfaits. TP N 02: Mesures Calorimétriques : Manipe 1 : Détermination de la capacité calorifique d'un calorimètre C cal Et / ou la valeur en eau du calorimètre "μ" Manipe 2 : Détermination de la capacité massique des solides Manipe 3 : Application du premier principe de la thermodynamique : Détermination de l énergie libérée par une réaction chimique de neutralisation

2 TP N 01 : Equation d'état des gaz f(n, P, V, T) = 0 1- But des TP : Dans ces deux TP, on désire: 1) Déterminer la masse molaire d'une substance liquide "le méthanol", en conséquence la quantité de matière "n = m/m", par la méthode de densité de vapeur. Et de comparer les résultats obtenus à l'état gazeux de ce gaz en terme du comportement : Tendance à un gaz idéal (parfait) et/ou réel? 1) Vérifier expérimentalement les trois (03) lois fondamentales des gaz parfaits (Gay- Lussac, Boyle-Mariotte et de Charles Amontons). La combinaison de ces trois lois permet d établir l équation d état universelle des gaz parfaits (P V = n RT). 2- Principe de l'expérience Dans un premier temps, la masse molaire du méthanol liquide est déterminée par injection d'une faible quantité dans une seringue à gaz chauffée. Le liquide est évaporé et la vapeur générée repousse le piston de la seringue à gaz. Le volume du gaz (à température constante et pression connue) est relevé directement à l'aide des graduations de la seringue à gaz. Avec les valeurs mesurées de pression, température, volume et masse du liquide évaporé, la masse molaire est calculée en utilisant les formules (3) et/ou (6). Puis n = m/m Afin de vérifier expérimentalement les lois empiriques des gaz parfaits (Gay-Lussac, Boyle- Mariotte et de Charles Amontons). On procède comme suit : - On détermine la relation existant entre les grandeurs P et V, pour la masse de gaz m mesurée, maintenue à température fixée (environ de K = 100 C) - On détermine la relation existant entre les grandeurs V et T, pour une masse de gaz m, maintenue à pression constant (pression atmosphérique du laboratoire). 2- Rappels théoriques : a) Introduction: La matière à l état solide possède un volume et une forme définis, à l état liquide elle a un volume propre mais prend la forme du récipient qui la contient tandis qu à l état gazeux elle occupe tout le volume qu on lui offre et épouse la géométrie du récipient. En conséquence, tous les gaz se conduisent d une manière similaire, et plusieurs lois des gaz permettent de décrire ce comportement.

3 Un gaz parfait est un gaz théorique (ses molécules sont considérées comme ponctuelles et les interactions intermoléculaires nulles) qui, par définition, suit la loi de Boyle-Mariotte, quelles que soient la température et la pression, mais il doit également obéir aux lois de Gay-Lussac et de Charles-Amontons. Les gaz réels tendent vers les gaz parfaits lorsqu'ils sont très dilués (pression relativement faible, conditions relativement éloignées de celles d'un changement de phase). b) Equation d état du gaz (parfait et réel) L'état d'une masse de gaz m est défini par trois grandeurs physiques de pression P, volume V et température T, reliées entre elles par une relation du type f(p, V, T) = 0 appelée équation d'état du gaz (c.à.d: C est trois grandeurs ne sont donc pas indépendantes). Pour un gaz parfait, cette équation s écrit : P.V = n.r.t (1) P : pression en Pascal (Pa), bar, atm, torr,... V : volume en m 3, l, ml, Cm 3,... T : Température absolue en Kelvin (K); T( K) = T( C) + 273,15 R : constante des gaz parfaits = 8,314 Joules.K-1.mole-1 ( voir exercice 1 du TD) n : nombre de moles du gaz considéré (=la masse/masse molaire) = (2) L équation (1) devient alors : =... Dans le cas d'un gaz réel, l'équation d'état de VanDerWaals peut être utilisée: P+ ( )= R.T ( 4) (3) avec A et B sont des constantes. V m :Volume molaire. V m = n.v =.V (5) De l'équations (4 et 5), la masse molaire, peut être calculée comme suite : =.. +.[. ] (6). pour le méthanol A = 9, Pa.l 2.mol -1, B = 0,0658 l.mol -1, M = g.mol -1 c) Cas particulier de l équation d état d'un gaz parfait On peut choisir de maintenir une des trois variables P, V, ou T constante lors d une transformation. L équation d état devient alors plus simple en n étant plus qu une relation entre les deux autres variables.

4 1- Prenons par exemple une transformation isotherme : n, R, et T sont constants. La loi des gaz parfait dans ce cas s écrit P.V= Cste. Historiquement, ce cas particulier est connu sous le nom de loi de Boyle - Mariotte. 2- De même, on peut choisir de garder la pression constante, en faisant varier uniquement le volume et la température. La loi des gaz parfait s écrit alors V 1 /T 1 = V/T =n.r / P = Cste. Il s agit de la loi de Gay-Lussac. En conséquence V = Vo.(1 + αt), α :est appelle coefficient de dilatation à pression constant et dit coefficient de tension à volume constant. 3- Et finalement, si c est V= Cste, on obtient la loi suivante : P/T = n.r / V = Cste qui s appelle loi de Charles-Amontons. En conséquence P = P 0.(1 + αt). V 0 et p 0 étant volume et pression à 0 C. On remarque qu'on peut faire apparaître une température particulière T = θ = -(1/α) à laquelle le volume et la pression du gaz seraient nuls. On l'appelle zéro absolu et des mesures précises ont fourni sa valeur: θ = -273,16 C. 3- Partie expérimentale : 3.1 Matériels utilisés : Enveloppe en verre, supports métallique, seringue à gaz calibrée en verre(100ml), Appareil de chauffage, Régulateur(Volt mètre), Thermomètres, Baromètre digital, balance de précision, Becher (250 ml), Seringues d'injection en Plastique (1ml), Entonnoir, Pierres ponces, Méthanol, eau distillée, Manomètre (capteur du pression). 3.2 Mode Opératoire : - Faire introduire quelques pierres ponces dans l'enveloppe en verre (pour donner une répartition homogène de la température à l'intérieure de l'enveloppe, en conséquence autour de la seringue à gaz calibrée). Puis remplir l'enveloppe en verre avec de l'eau distillée, insérer le thermomètre et chauffer le dispositif jusqu'à l'ébullition d'eau à environ 100 C. - Prélever 0.12 ml du méthanol liquide avec une seringue d'injection, Peser rapidement l'ensemble (Seringue + liquide ) et injecter le liquide dans la seringue à gaz calibrée. - Laisser la seringue d'injection dans le dispositif jusqu'au moment où le volume devient constant lire et enregistrer le volume, la pression et la température. Ensuite peser la seringue d'injection vide, pour pouvoir calculer la masse du liquide injecté (masse du gaz obtenu). m gaz = m (Seringue ml du méthanol liquide) - m seringue vide

5 T K Pression(Pa) Volume (m 3 ) m gaz (Kg) M. (G. Parfait) (3) M. Gaz.R (6) - Remplacer maintenant la seringue d'injection par un manomètre (capteur de pression) et faire pousser le piston de la seringue à gaz à l'intérieure de l'enveloppe en verre et noter. V(ml) P (bar) 1,035 1,058 1,083 1,11 1,135 1,164 1,194 1,226 1,259 P.V - Vider la seringue à gaz et refaire l'expérience à nouveau, calculer M et n. Ensuite raccorder le manomètre, atteindre l'appareil de chauffage et noter la variation de P = f(t) à V=Cste T C T K P (hpa) ,97 0,93 0,89 0,86 0,84 0,81 0,79 0,7 P / T - Vider la seringue à gaz et refaire l'expérience à nouveau, calculer M et n. Ensuite raccorder le manomètre, atteindre l'appareil de chauffage et noter la variation de V=f(T) à P =Cste T C T K V (ml) 92 89,25 86,5 82, ,5 73,5 V /T Questions : 1) Comparer, commenter et conclure les résultats de la détermination de la masse molaire. 2) Tracer les graphes: P = f(1/v) à T = 100 C ; P = f(t en K et en C ) à volume fixé 85ml ; V = f(t en K et en C ) à pression atmosphérique, 3) déduire les relations entre P,V, T. Pour quelle température la pression et le volume seraient nulle? 04) Conclure les résultats obtenus.

6 TP N 02: Mesures Calorimétriques 1- But des TP : Déterminations de chaleurs -Enthalpies et de capacités calorifiques : Dans ce travail pratique on se propose de déterminer : 1- La capacité calorifique d'un calorimètre C cal et / ou valeur en eau du calorimètre "μ" 2- La capacité thermique massique (chaleur massique) d un solide. 3- L'enthalpie de neutralisation de NaOH (aq) par Hcl (aq) 2- Rappels théoriques : 2.1 Généralités: Le calorimètre "comme une bouteille thermos" est un système thermodynamique isolé qui n échange aucune énergie avec le milieu extérieur (ni travail, ni chaleur). Sa paroi est indéformable et adiabatique afin de diminuer les pertes thermiques. Il existe plusieurs types de calorimètre suivant la nature des mesures que l'on effectue. On peut citer le calorimètre isotherme, le calorimètre adiabatique, le calorimètre différentiel Ils permettent notamment de caractériser les matériaux, les réactions chimiques. Les mesures calorimétriques permettent de déterminer les capacités thermiques massiques des substances, les chaleurs de changement d état et les chaleurs de réactions. Les principes qui régissent la calorimétrie reposent en fait sur le premier principe de la thermodynamique (principe de la conservation de l énergie U = Constante pour tout système isolé). Au sein du calorimètre (vase Dewar comme l un des calorimètres le plus simple) il peut s y dérouler des échanges thermiques. Le corps le plus chaud cède de la chaleur (Q1 comptée négative) et le corps le plus froid la reçoit (Q2 comptée positive) totalement en vertu du principe de l égalité des échanges de la chaleur. La température du corps chaud s abaisse jusqu à T e et la température du corps froid augmente jusqu à cette température qui représente l équilibre thermique. Ceci peut se traduire par la relation fondamentale : Q1 + Q2 = 0 (1). 2.2 Equation calorimétrique Afin de Déterminer la capacité calorifique du calorimètre C cal ou mesurer la valeur en eau (µ) du calorimètre, nous allons travailler au moyen d un calorimètre n échangeant ni énergie ni matière avec le milieu extérieur (système «isolé»). En mélangeant de l eau chaude à de l eau froide, la quantité de chaleur (Q) perdue par l eau chaude a été entièrement transférée à l eau froide contenue dans le calorimètre et aux parois du calorimètre lui-même. Alors : Q eau chaude (<0) = Q eau froide (>0) + Q calorimètre (>0)

7 C s(eau). m ch. (T e - T ch ) = C s(eau). m fr. (T e - T fr ) + C cal. (T e - T fr ). - C s(eau). m ch. (T e - T ch ) = C s(eau). m fr. (T e - T fr ) + C cal. (T e - T fr ) C cal = [C e. m ch.(t ch - T e ) + C e. m fr.(t fr - T e )] / (Te -T fr ) (2) la quantité d'eau (de masse µ et capacité calorifique massique C e ), équivalente thermiquement au calorimètre et ses accessoires est : μ = C cal /C e en J. K. NB : C e = 4,185 J. K -1.g -1 (1 cal. K -1.g -1 ) à température ambiante Afin de Déterminer la capacité calorifique d'un métal (solide), nous allons utiliser le même calorimètre :(C cal + m eau.ce )(T eq -T i ) + m métal. C métal (T eq - T s ) = 0 ou bien : (m eau + µ ). C e. (T e -T i ) + m métal. C métal (T eq - T s ) = 0 (3) L inconnue C métal (en J/ g.k ou en cal.g -1.K -1 ) est la capacité thermique massique du solide Afin de Déterminer L'enthalpie de neutralisation de NaOH (aq) par Hcl (aq) nous allons utiliser, toujours, le même calorimètre : Q neut = m' eau. Ce. (T neut - T i ) + C cal. (T neut - T i ) et H neut = Q neut / n (4) 3- Partie expérimentale : 3.1 Matériels utilisés : 04 Cristallisoirs ; 02Vase Dewar + calorimètre, 04 thermomètre de précision, 02 fiole jaugée 100 ml ; 02 cylindres métallique (cuivre, acier, Al, ou plomb...) d une masse de 100 g, 01 agitateur, 02 éprouvette graduée 100 ml, 02 support burette, 04 pinces universelles ; 02 Becher (200 ml) ; verre de montre ; spatule ; balance électrique ; 02 plaques chauffantes ; Thermocouple ; solution de NaOH (1N); solution de Hcl (1N) 3.2 Mode opératoire Détermination de la capacité calorifique du calorimètre : ou Mesure de la valeur en eau (µ) du calorimètre : Avant toute mesure, il est indispensable de connaître la capacité calorifique du calorimètre et de ses accessoires. On mesure cette capacité

8 thermique C cal dans des conditions aussi proches que possible de l'expérience en utilisant la méthode des mélanges avec de l'eau, comme suit : - prélever dans une éprouvette graduée, V1 = 100 ml (m e1 = 100 g) d'eau froide à la température ambiante puis verser cette quantité dans le vase Dewar (bien nettoyé) agiter un moment et dès que la température devient stable notez la température initiale T fr - faire chauffer, une autre quantité d'eau (200 ml) à T2 = 50 C dans un bécher. Ensuite verser rapidement 100ml de cette eau chaude (noter la température exacte T ch ) et agiter doucement le mélange afin que la température soit uniforme et attendre l'équilibre thermique. On note alors cette température d équilibre T e Détermination de L'enthalpie de neutralisation NaOH(aq ) par HCl (aq) - Afin de pouvoir déterminer la température initiale des réactifs (T i = T + T1 / 2), Introduire dans le calorimètre 100 ml de NaOH ( 0.9N) à température ambiante (T). Prélever 100 ml de HCl (1N), dans une éprouvette, et noter sa température ambiante T1. Ensuite verser le contenu de l'éprouvette dans le calorimètre en agitant ; Après la neutralisation noter T neut Détermination de la capacité calorifique d'un métal - Verser 50 ml d eau ( 50 g) à température ambiante dans le vase Dewar. Agiter et dès que la température se stabilise noter la température initiale du calorimètre et de son contenu T i. - Mettre un morceau du métal environ 10 g (en cuivre, acier, Al,...) dans un bécher contenant d eau bouillante, pendant 10 minutes et noter sa température (T S =100 C). - Introduire rapidement ce morceau du métal dans le vase Agiter et observer l'élévation de température de l'eau du calorimètre et noter la température d'équilibre T e 3.3 Questions Calculer la valeur en eau du calorimètre. Déterminer H neut et comparer les avec celles de la littérature. Déduire la capacité calorifique massique du métal : C métal Données H neut = K J.mol -1