CHIMIE. L énergie Chapitres 4 et 5 MARC VOYER CSDPS. Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 2 : La réflexion Page 1

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1 CHIMIE L énergie Chapitres 4 et 5 MARC VOYER CSDPS Marc Voyer Physique : Optique : Chapitre 2 : La réflexion Page 1

2 Chapitre 4 : Les réactions endothermiques et exothermiques L énergie et ses formes Nous pouvons diviser les formes d énergie en deux grandes catégories : A) Cinétique : Énergie associée au mouvement. Dépend de la masse et de la vitesse de l objet. Cette forme d énergie est nommée énergie thermique. B) Potentielle : Énergie de réserve. C est de l énergie emmagasinée et pouvant éventuellement produire un travail. Il existe deux types d énergie potentielle chimique: 1. Énergie potentielle intermoléculaire (entre les molécules) Forces qui retiennent les molécules ensemble dans les solides et les liquides. Ces liaisons sont très faciles à briser. Ce sont les liens qui sont brisés dans les changements de phases. 2. Énergie intramoléculaire (dans les molécules) Chimique : Forces de liaisons entre les atomes de la molécule. Électrostatique : Forces d attraction électrons-protons dans les atomes. Nucléaire : Forces qui retiennent les protons et les neutrons dans le noyau. Liaisons beaucoup plus difficiles à briser. Distinction entre chaleur et température La chaleur peut se définir comme l énergie totale contenue dans les mouvements moléculaires d une quantité de matière. L énergie thermique représente la somme de toutes les énergies cinétiques de l ensemble des molécules. Elle dépend de la masse, de la nature et de la température. La température représente l énergie moyenne par molécule de matière. Elle dépend de l agitation des particules. Elle dépend de l énergie cinétique moyenne de celle-ci. Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 1

3 La chaleur La chaleur se transmet naturellement d un milieu où la température est plus élevée vers un milieu où elle est moins élevée. Q mc T NOTES : Dans 95% des fois, l environnement sera l eau, donc il faut connaître la capacité thermique massique de l eau, 4,19 J/g C. Puisque la plupart des situations impliqueront de l eau, il est donc important de se rappeler la masse volumique de l eau (1 g / ml). Ce qui veut dire que 150 g d eau est égal à 150 ml d eau. Ceci est vrai pour l eau seulement!!! Il faut faire attention aux unités de la capacité thermique massique, il existe des équivalences (J/g C) (kj/kg C) (J/g K) (kj/kg K). L énergie est libérée ou absorbée tout dépendant de la variation de température ( T = T f - T i ). Si la variation de température est positive (augmente), la valeur de Q est positive. Si la variation de température est négative (diminue), la valeur de Q est négative. Par convention, une valeur de Q positive signifie que la substance absorbe de l énergie et une valeur de Q négative signifie que la substance libère cette l énergie. Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 2

4 1. Quelle quantité de chaleur doit-on fournir à 200 g d eau pour élever sa température de 25 C à 80 C? 2. On chauffe une certaine quantité d eau dans un calorimètre. Sachant que l eau est passée de 15,5 C à 62 C et que nous avons fourni 3000 J, quelle quantité d eau avions nous? 3. Quelle sera la variation de température subie par 2 L d eau qui perd 10 kj lors d un refroidissement? 4. Un morceau de fer chauffé à 100 C est plongé dans 2 L d eau à 30 C. Sachant que la température de l eau atteint 32,5 C, quelle est la chaleur gagnée par l eau? Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 3

5 5. Un chauffe-eau conventionnel contient 151 kg d eau (40 gallons). En supposant qu il n y a aucune perte d énergie, calcule l énergie thermique qu'il faut fournir pour élever sa température de 15 C à 60 C? 6. On fournit 37,2 kj à 750 g d une substance liquide qui augmente de 20 C. Quelle est la capacité thermique massique de la substance? 7. Lors d une belle journée ensoleillée, la température des L d eau d une piscine augmente de 3 C. Quelle quantité de chaleur a été absorbée par l eau? 8. La température d un litre d eau placé au réfrigérateur passe de 22 C à 8 C. Quelle quantité de chaleur a été perdue par l eau? Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 4

6 9. Lors d une expérience de laboratoire, un élève consciencieux a calculé qu il avait fourni J aux 100 ml d eau d un contenant isolant. En supposant qu aucune perte de chaleur n ait affecté l installation, quelle est la variation de température de l eau du contenant? 10.Si on fournit la même quantité de chaleur à deux échantillons de masses identiques d aluminium (c = 0,90 J/g C) et de cuivre (c = 0,39 J/g C), lequel subira la plus forte élévation de température? 11.On place une tige de zinc chaude dans un bécher contenant 500 g d eau à 25 C. Sachant que la température de l eau a augmenté de 7 C, quelle est l énergie libérée par la tige de zinc? Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 5

7 12.Une tige de métal (inconnu) de 8 g à 130 C est placée dans de l eau froide, l eau atteint 60 C. Sachant que la tige a libéré 504 J, quelle est la capacité thermique du métal. 13.Vous disposez de deux récipients contenant chacun 100 ml d eau. Le premier contient de l eau froide à 15 C et le deuxième, de l eau chaude à 45 C. En utilisant l eau de ces deux récipients, vous devez préparer 50 ml d eau à 33 C. Quels volumes d eau froide et d eau chaude devrez-vous combiner? 14.On place un morceau de métal de 21,6 g à 150 C dans 250 ml d eau à 25 C. Si la température de celle-ci a augmentée de 1 C, quelle est la capacité thermique du métal? Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 6

8 Réactions Exothermiques Ce sont des réactions qui dégagent plus d énergie qu elles en absorbent. Réactifs Produits + Énergie R P + Q Réactions Endothermiques Ce sont des réactions qui absorbent plus d énergie qu elles en dégagent. Réactifs + Énergie Produits R + Q P Enthalpie L enthalpie désigne la somme de toutes les énergies internes d une substance emmagasinée lors de sa formation. L énergie totale de la matière est la somme des énergies cinétique et potentielle qu elle renferme. La lettre H symbolise l enthalpie Variation d enthalpie et chaleur de réaction. On ne peut déterminer la somme de toutes les énergies contenues dans une substance. On ne peut que déterminer la variation d énergie qui survient au cours d une réaction chimique. C est la variation d enthalpie ou la chaleur de réaction. H = H produits H réactifs H = Q Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 7

9 Énergie (kj) Représentation graphique d une réaction endothermique Réaction au cours de laquelle les réactifs acquièrent de l énergie. Variation d enthalpie positive. Les produits possèdent une plus grande énergie interne que celle des réactifs. N 2(g) + O 2(g) kj 2 NO (g) N 2(g) + O 2(g) 2 NO (g) N 2(g) + O 2(g) 2 NO (g) Q= + 90 kj/mol de NO (g) H = + 90 kj/mol de NO (g) Graphique exprimant la variation d énergie positive : N 2(g) + O 2(g) Réactifs 2 NO (g) Produits H Le H est positif = 180 Rx Nous pouvons voir le graphique comme une côte que l on souhaite monter à voiture ; il faut fournir de l énergie afin de pouvoir monter la côte, et s il faut fournir de l énergie, c est que la réaction est endothermique. Ou encore, on peut comparer la réaction à la situation où une personne monte sur une chaise; la personne fournit de l énergie pour monter sur la chaise et une fois en haut, elle est «pleine» d énergie potentielle. Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 8

10 Énergie (kj) Représentation graphique d une réaction exothermique Réaction au cours de laquelle les réactifs perdent de l énergie lorsqu ils se transforment en produits. Variation d enthalpie négative. Les produits possèdent une énergie interne moindre que celle des réactifs. Ca (s) + Cl 2(g) CaCl 2(g) kj Ca (s) + Cl 2(g) CaCl 2(g) Ca (s) + Cl 2(g) CaCl 2(g) Q = -798 kj/mol de CaCl 2(g) H = -798 kj/mol de CaCl 2(g) Graphique exprimant la variation d énergie négative : Ca (s) + Cl 2(g) Réactifs CaCl 2(g) Produits H Le H est négatif = -798 Nous pouvons encore voir le graphique comme une côte, mais cette fois, que l on souhaite descendre; il faut simplement se laisser aller, il n y a pas d énergie à fournir, la voiture libère l énergie qu elle a accumulé en montant la côte et si elle libère de l énergie, c est que la réaction est exothermique. De plus, on peut revenir à la situation où une personne est montée sur une chaise; la personne libère de l énergie pour se jeter en bas de la chaise et une fois en bas, elle est «vide» d énergie potentielle. Rx Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 9

11 1. Réécrire les réactions suivantes en utilisant la notation H. a) CO 2(g) kj C (s) + O 2(g) b) NO (g) ½ N 2(g) + ½ O 2(g) + 90,4 kj c) C (s) + ½ O 2(g) CO (g) + 110,4 kj 2. Lesquelles des réactions précédentes sont endothermiques? 3. Si on effectuait les réactions précédentes dans un calorimètre contenant de l eau, lesquelles causerait une augmentation de température de cette eau? 4. Réécrire les réactions suivantes en incluant l énergie comme terme de l équation. a) Cu (s) + ½ O 2(g) CuO (s) H = -159 kj/mol de CuO (s) b) N 2(g) + 2 O 2(g) 2 NO 2(g) H = +33,9 kj/mol de NO 2(g) c) 2 H 2(g) + O 2(g) 2 H 2 O (g) H = -242 kj/mol de H 2 O (g) 5. Lesquelles des réactions précédentes sont des réactions exothermiques? Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 10

12 6. Si on effectuait dans un calorimètre les réactions dont le H est positif qu arriveraitil de la température de l eau contenue dans ce calorimètre? 7. Donner un synonyme de variation d enthalpie. 8. En résumé, si une réaction dégage de la chaleur, la variation d enthalpie a une valeur et cette réaction est. Si la chaleur de réaction est positive, alors cette réaction causera une de température de l eau d un calorimètre et l on dira de cette réaction qu elle est. Si la réaction est endothermique, la quantité de chaleur absorbée apparaîtra du côté de l équation. Dans une réaction exothermique, l énergie interne contenue dans les réactifs est plus que celle contenue dans les produits. Si l enthalpie contenue dans les produits est plus grande que celle contenue dans les réactifs, nous sommes en présence d une réaction et cette réaction lorsqu elle est effectuée dans un calorimètre causera une de la température. 9. Représenter graphiquement la variation énergétique de chacune des réactions suivantes : a) CO 2(g) kj C (s) + O 2(g) Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 11

13 Énergie (kj) Énergie (kj) b) 2 Cu (s) + O 2(g) 2 CuO (s) kj c) Fe 2 O 3(s) 2 Fe (s) O 2(g) H = +411 kj/mol de Fe (s) 10. À partir des graphiques représentant la variation énergétique suivants, réécrire d abord l équation de la réaction en incluant l énergie comme terme de l équation et ensuite en utilisant la notation H. a) b) 68 2 NO 2(g) 0 2 H 2(g) + O 2(g) 0 N 2(g) + 2 O 2(g) H 2O (g) Rx Rx Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 12

14 11.Nous définissons l enthalpie d une substance comme étant la somme des énergies internes contenues dans les substances. Ces énergies se présentent sous deux formes. Lesquelles? 12.Lorsque nous chauffons une substance et que la température s élève, quelle forme d énergie augmente. 13.Quel est l autre nom pour : énergie intramoléculaire chimique? Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 13

15 Énergie Énergie Diagramme énergétique d une réaction endothermique CA E a E i H Produits H H Réactifs Diagramme énergétique d une réaction exothermique Rx CA E a H Réactifs E i H H Produits Rx H Réactifs : Enthalpie des Réactifs H Produits : Enthalpie des Produits E a : Énergie d activation directe E i : Énergie d activation inverse CA : Complexe activé H : Variation d enthalpie Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 14

16 Énergie Énergie Énergie Énergie Énergie Types de réactions Spontanée Facile Difficile H R H R H R H P H P H P Rx Rx Rx L étape déterminante Lorsqu une réaction globale est constituée d un mécanisme réactionnel de plusieurs réactions, ces réactions se nomment étapes. Parmi ces étapes, il y en a une, plus lente que les autres, c est l étape déterminante. L étape déterminante a toujours la plus grande énergie d activation dans le mécanisme réactionnel. H R H P Rx 1. Dans le diagramme d énergie potentielle suivant, donner la lettre correspondant : B a) au H de la réaction directe. D b) à l énergie d activation inverse. c) à l énergie d activation directe. A C E d) au H de la réaction inverse. e) au complexe activé. f) La réaction est-elle endo ou exo? Rx Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 15

17 E (kj) E (kj) E (kj) 2. Dans le diagramme d énergie suivant, donner la valeur a) de l énergie d activation directe. b) du H de la réaction directe. c) de l énergie d activation inverse. d) du complexe activé. e) du H de la réaction inverse. f) La réaction est-elle endo ou exo? Rx 3. Faire le diagramme d énergie d une réaction dans laquelle H P H R = 10 kj et dont l énergie d activation inverse est de 30 kj. Rx 4. Soit la réaction : A 2 + B 2 2 AB Pour laquelle Q vaut 40 kj/mol de AB. Sachant que l énergie d activation de la réaction inverse vaut 80 kj/mol de AB, tracer le diagramme d énergie de cette réaction et donner l énergie d activation directe. Rx Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 16

18 E (kj) E (kj) 5. Le graphique suivant représente la réaction : AB + A A 2 + B a) Quelle est la valeur de la chaleur de réaction? b) Quelle est la valeur de l énergie d activation directe? c) Quelle est la valeur de l énergie d activation inverse? d) Réécrire cette réaction avec la notation H. Rx 6. Voici un diagramme d énergie d une réaction globale constituée d un mécanisme réactionnel de plusieurs étapes. a) Combien y a-t-il d étape? b) Quel est la valeur du complexe activé de l étape déterminante? c) Quel est l énergie d activation de l étape déterminante? d) Quel est l énergie d activation de la réaction globale? e) Quel est le H de la réaction? f) La réaction est endo ou exo? Rx Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 17

19 Chapitre 5 : La chaleur molaire d une réaction La calorimétrie 1. La dissolution de 8 g de CuSO 4(s) dans l eau libère 3400 J. a) Quelle est la chaleur molaire de dissolution du CuSO 4(s)? b) Est-ce conforme à la valeur théorique de -68 KJ/mol? 2. On veut préparer une solution pour nettoyer les vitres en dissolvant 4,25 g d ammoniac gazeux NH 3(g) dans 0,5 L d eau. De plus, on sait que la chaleur molaire de dissolution du NH 3 est de -35 kj/mol. a) Calcule la chaleur absorbée ou dégagée lors de cette dissolution. b) Quelle est la température finale de l eau si la température si elle était initialement de 23 C? Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 18

20 3. On dissout 32 g de CuSO 4 dans 200 ml d eau dans un calorimètre. La température initiale (t i ) de l eau est de 18 C et après dissolution, elle devient 34,2 C. a) Quelle est la chaleur molaire de dissolution du CuSO 4? b) Quelle est la chaleur massique de dissolution du CuSO 4? c) Quelle est l équation de la dissolution du CuSO 4 (les deux façons)? 4. Soit l équation de dissolution du AgNO 3 AgNO 3(s) + H 2 O (l) Ag + (aq) + NO 3 - (aq) Q= + 23 kj Si l on dissout 42,5 g de AgNO 3(s) dans 200 ml d eau dont la température initiale est de 20 C, quelle sera la température finale? Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 19

21 5. Quelle masse d hydroxyde de potassium (KOH) a-t-on dissout dans 100 ml d eau sachant que la température de celle-ci est passée de 24 C à 32 C lors de la dissolution? (La chaleur molaire de dissolution du KOH est de -55 kj/mol.) 6. La chaleur molaire de dissolution du NaNO 3(s) dans l eau est de 21 kj/mol. Si l on dissout 170 g de NaNO 3 dans 800 ml à 20 C, quelle sera la température finale du mélange? 7. On neutralise 250 ml d une solution de 2 mol/l de HBr avec 250 ml d une solution de 2 mol/l de KOH. La température du mélange ayant atteint 11 ºC de plus : a) Quelle est la chaleur dégagée par la neutralisation? b) Quelle est la chaleur molaire de la neutralisation? Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 20

22 c) Quelle est l équation représentant la neutralisation du HBr (aq) par le KOH (aq)? (les 2 façons d écrire l équation) 1 ière 2 ième 8. Si la chaleur de fusion de l eau est de +6,7 kj, quelle est la chaleur de solidification de l eau? 9. On introduit, dans un calorimètre, 2 mol de carbone avec suffisamment de O 2 pour que la combustion soit complète. Le volume d eau dans le calorimètre est de 5 L. La température initiale de l eau est de 22,5 C. Après la réaction, la température finale atteint 27,2 C. Calcule la quantité de chaleur mise en jeu lors de la combustion d une mole de carbone. 10.Dans un calorimètre contenant 1000 g d eau à 20 C, on fait brûler 8 g de méthane CH 4. La température finale de l eau devient 68 C. Trouve la chaleur molaire et la chaleur massique de combustion du méthane. Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 21

23 11.Dans un calorimètre contenant 500 g d eau, on fait brûler 1,5 g de propane (C 3 H 8 ). À la fin, on observe une élévation de température de l eau de 1,69 C. a) Calcule la chaleur dégagée au cours de l expérience. b) Calcule la chaleur molaire de combustion du propane. c) Calcule la chaleur massique de combustion du propane d) Quelle est l équation de la combustion du propane (les deux façons)? Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 22

24 12.Dans une bombe calorimétrique contenant 2 L d eau, on fait brûler 3 g d octane (C 8 H 18 ). La variation de température de l eau est de 17,1 C. a) Calcule la chaleur absorbée par l eau du calorimètre. b) Calcule la chaleur massique de combustion de l octane. c) Calcule la chaleur molaire de combustion de l octane. d) Quelle est l équation de la combustion de l octane (les deux façons)? Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 23

25 La loi de Hess Trouver par additivité la valeur des chaleurs de réaction des réactions suivantes ; 1. H 2 O (l) H 2 O (g) 2. NO (g) + ½ O 2(g) NO 2(g) 3. CO (g) + ½ O 2(g) CO 2(g) 4. 2 NH 3(g) + 2 CO 2(g) C 2 H 6(g) + 2 NO 2(g) Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 24

26 5. C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (g) 6. C (s) + H 2 O (g) CO (g) + H 2(g) 7. C 2 H 6(g) O2(g) 2 CO 2(g) + 3 H 2 O (g) 8. Calcule la chaleur de la réaction H 2 SO 4(l) SO 2(g) + H 2 O (g) + ½ O 2(g) À partir des trois réactions suivantes. H 2(g) + ½ 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(l) kj Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 25

27 Chaleur molaire de certaines réactions Réaction Q KJ/mol 1 H 2(g) + 1 O 2(g) H 2 O (g) H 2(g) + 1 O 2(g) H 2 O (l) N 2(g) O 2(g) NO (g) N 2(g) + O 2(g) NO 2(g) N 2(g) H 2(g) NH 3(g) N 2(g) + 1 O 2(g) N 2 O (g) C (s) + 1 O 2(g) CO (g) C (s) + O 2(g) CO 2(g) C (s) + 2 H 2(g) CH 4(g) C (s) + 3 H 2(g) C 2 H 6(g) C (s) + 4 H 2(g) C 3 H 8(g) Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 26

28 Réponses La chaleur (pages 3-6) 1. Q = J 2. M = 15,39 g 3. Δt = - 1,2 C 4. Q eau = 20,9 kj 5. Q = 28471,05 kj 6. c = 2,48 J/g C 7. Q = kj 8. Q = J 9. Δt = 34,37 C 10. Cuivre 11. Q Zn = J 12. c = 0,9 J/g C ml E froide : 30 ml E chaude 14. c = 0,39 J/g C Les transformations et l absorption ou le dégagement d énergie (pages 10-13) A D 3. B C A C 6. Diminution de T 7. Chaleur de réaction Cinétique et potentielle 12. Cinétique 13. Potentielle Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 27

29 Le bilan énergétique d une transformation (pages 15-17) 1. a) C b) D c) A d) E e) B f) endo 2. a) 30 kj b) - 80 kj c) 110 kj d) 30 kj e) 80 kj f) exo E a = 240 kj 5. a) - 40 kj b) 40 kj c) 80 kj d) 6. a) 3 b) 45 kj c) 70 kj d) 70 kj e) - 35 kj f) exo La calorimétrie (pages 18-23) 1. a) Q = ,5 J/mol b) Oui 2. a) Q = J b) t f = 27,2 C 3. a) Q = ,88 J/mol b) Q = - 424,24 J/g c) 4. t f = 13,14 C 5. m = 3,4 g 6. t f = 7,47 C 7. a) Q Rx = J b) Q mol = J/mol c) 8. Q = - 6,7 kj 9. Q = ,5 J/mol 10. Q = - 402,24 kj/mol Q = - 25,14 kj/g 11. a) Q = ,55 J b) Q = - 103,86 kj/mol c) Q = ,36 J/g 12. a) Q = J b) Q = j/g c) Q = ,32 kj/mol Loi de Hess (pages 24-25) 1. Q = + 44 kj 2. Q = - 56 kj 3. Q = kj 4. Q = kj 5. Q = kj 6. Q = kj 7. Q = kj 8. Q = kj Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 28

30 Notes personnelles Marc Voyer Chimie : Partie 2 : L énergie : Chapitres 4 et 5 Page 29

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