CHAPITRE 5 : LA CHALEUR MOLAIRE D UNE RÉACTION

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1 CHAPITRE 5 : LA CHALEUR MOLAIRE D UNE RÉACTION 5. LA CALORIMÉTRIE CORRIGÉ. Alicia dissout du nitrate de sodium dans 00 ml d eau. Après dissolution complète du soluté, elle note que la température est passée de 5,0 C à,5 C. D après ces données, lequel des énoncés suivants est vrai? X A. L eau absorbe de l énergie absorbée par la dissolution du nitrate de sodium. B. L eau dégage de l énergie absorbée par la dissolution du nitrate de sodium. C. L eau absorbe de l énergie dégagée par la dissolution du nitrate de sodium. D. L eau dégage de l énergie dégagée par la dissolution du nitrate de sodium.. Lors de la combustion de,00 g d acétylène (C H ), un calorimètre absorbe 50,0 kj. Quelle est la chaleur molaire de combustion de l acétylène? Q réaction Q calorimètre 50,0 kj Calcul du nombre de moles : m M n m D où n M,00 g 6,04 g/mol 0,084 mol Calcul de la chaleur molaire :? kj 50,0 kj mol 0,084 mol mol 50,0 kj 0 kj 0,084 mol La chaleur molaire de combustion est de,0 0 kj/mol de C H.. Qu est-ce que la chaleur molaire de dissolution? X A. C est la quantité d énergie mise en jeu lors de la dissolution d un soluté pour faire varier la température du solvant de C. B. C est la quantité d énergie mise en jeu lors de la dissolution d un soluté dans une mole de solvant. C. C est la quantité d énergie mise en jeu lors de la dissolution d une mole de soluté. D. C est la quantité d énergie mise en jeu lors de la dissolution de g de soluté. les classes où les cahiers sont utilisés. N87

2 4. Dans un calorimètre de polystyrène contenant 00 ml d eau, on effectue une réaction qui fait passer la température de l eau de,0 C à 6,0 C. Quelle quantité d énergie est mise en jeu par cette réaction? Q calorimètre m eau c eau ΔT eau 00 g 4,9 J/g C 4,0 C 5 J Q réaction Q calorimètre 5 J ou,4 kj La quantité d énergie mise en jeu par cette réaction est de,4 kj. 5. Cédric dissout,60 g de nitrate d argent (AgNO ) dans 00 ml d eau à,5 C. Après dissolution complète du nitrate d argent, la température de l eau est maintenant de,5 C. Quelle est la chaleur molaire de dissolution du nitrate d argent? Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre : Q calorimètre m eau c eau ΔT eau 00 g 4,9 J/g C (,5 C,5 C) 676 J ou,676 kj Détermination de la chaleur de réaction : Q réaction Q calorimètre (,676 kj) +,676 kj Calcul du nombre de moles : m m M, d où n n M,60 g n 69,88 g/mol 0,074 mol Calcul de la chaleur molaire :? kj +,676 kj mol 0,074 mol mol +,676 kj +,59 kj/mol 0,074 mol La chaleur molaire de dissolution est de +,6 kj/mol de nitrate d argent. les classes où les cahiers sont utilisés. N87

3 6. Dans un verre de polystyrène, Xavier verse 50,0 ml d une solution de NaOH à,00 mol/l. Dans un second verre, il met 50,0 ml d une solution de HCl à,00 mol/l. La température initiale des deux solutions est de 4,0 C. Lorsque Xavier mélange les solutions et que la neutralisation est complète, il note que la température est de 0,0 C. a) Quelle est la chaleur molaire de neutralisation du NaOH? Calcul de l énergie absorbée ou dégagée par le calorimètre : Q calorimètre m eau c eau ΔT eau 00,0 g 4,9 J/g C (0,0 C 4,0 C) +54 J ou +,5 kj Détermination de la chaleur de réaction : Q réaction Q calorimètre,5 kj Calcul du nombre de moles : n C, d où n CV V n,00 mol/l 0,0500 L 0,0500 mol Calcul de la chaleur molaire :? kj,5 kj mol 0,0500 mol mol,5 kj 50, kj/mol 0,0500 mol La chaleur molaire de neutralisation est de 50, kj/mol de NaOH. b) Quelle est la chaleur massique de neutralisation du NaOH? 50, kj 50, kj équivaut à mol 40,00 g? kj 50, kj g 40,00 g g 50, kj,55 kj 40,00 g La chaleur massique de neutralisation est de,6 kj/g de NaOH. c) Écrivez l équation thermique de la réaction. HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H O (l) H 50, kj les classes où les cahiers sont utilisés. N87

4 7. L acide sulfurique réagit avec l hydroxyde de sodium selon l équation suivante : H SO 4(aq) + NaOH (aq) Na SO 4(aq) + H O (l) ΔH 76,6 kj Si on mélange 00 ml d une solution d hydroxyde de sodium à,00 mol/l avec 00 ml d une solution d acide sulfurique de même concentration, quelle sera la température finale du mélange? (La température initiale des solutions est de,0 C et on considère que la réaction est complète.) Calcul du nombre de moles de NaOH : n C, d où n CV V n,00 mol/l 0,00 L 0,400 mol Calcul de la chaleur de réaction : 76,6 kj? kj mol de NaOH 0,400 mol de NaOH 76,6 kj 0,400 mol 5, kj mol Calcul de la variation de température : Q calorimètre m eau c eau T eau, d où T eau T eau 5 00 J 00 g 4,9 J/g C, C Calcul de la température finale : T T f T i, d où T f T + T i T f,0 C +, C 4, C Q calorimètre m eau c eau Détermination de la chaleur du calorimètre : Q calorimètre Q réaction ( 5, kj) +5, kj ou 5 00 J La température finale de la solution est de 4, C. 5. LA LOI DE HESS. Déterminez l équation thermique globale de chacun des mécanismes de réaction suivants. a) Mg (s) + HCl (aq) MgCl (aq) + H (g) kj MgCl (aq) + H O (l) + 5 kj MgO (s) + HCl (aq) H (g) + O (g) H O (l) + 86 kj Mg (s) + HCl (aq) MgCl (aq) + H (g) kj MgCl (aq) + H O (l) + 5 kj MgO (s) + HCl (aq) H (g) + O (g) H O (l) + 86 kj Mg (s) + O (g) MgO (s) kj les classes où les cahiers sont utilisés. 4 N87

5 b) HNO (aq) H (g) + N (g) + O (g) ΔH +7, kj N (g) + O (g) NO (g) ΔH +90, kj H (g) + O (g) H O (g) ΔH 48,6 kj HNO (aq) H (g) + N (g) + O (g) N (g) + O (g) NO (g) H +7, kj H +90, kj H (g) + O (g) H O (g) H 48,6 kj HNO (aq) + H (g) NO (g) + H O (g) H 0, kj c) C H 8(g) C (s) + 4 H (g) ΔH +04 kj/mol de C H 8 C (s) + O (g) CO (g) ΔH 94 kj/mol de CO 4 H (g) + O (g) 4 H O (g) ΔH 4 kj/mol de H O C H 8(g) C (s) + 4 H (g) H +04 kj C (s) + O (g) CO (g) H 94 kj 8 kj 4 H (g) + O (g) 4 H O (g) H 4 kj kj C H 8(g) + 5 O (g) CO (g) + 4 H O (g) H 046 kj. Soit les réactions suivantes : I (s) + H (g) HI (g) I (g) + H (g) HI (g) ΔH +5,0 kj ΔH 9,4 kj Quelle est la chaleur molaire de sublimation du diiode? I (s) I (g) Réorganisation et addition des équations : I (s) + H (g) HI (g) ΔH +5,0 kj HI (g) I (g) + H (g) ΔH +9,4 kj I (s) I (g) ΔH +6,4 kj La chaleur molaire de sublimation est de +6,4 kj/mol de diiode. les classes où les cahiers sont utilisés. 5 N87

6 . À l aide des équations suivantes, déterminez la chaleur de formation de l acide sulfurique à partir de ses éléments. H SO 4(l) H O (l) + SO (g) S (s) + O (g) SO (g) H (g) + O (g) H O (l) ΔH +80 kj ΔH 95 kj ΔH 86 kj H (g) + S (s) + O (g) H SO 4(l) Réorganisation et addition des équations : H (g) + O (g) H O (l) S (s) + O (g) SO (g) H O (l) + SO (g) H SO 4(l) H (g) + S (s) + O (g) H SO 4(l) ΔH 86 kj ΔH 95 kj ΔH 80 kj ΔH 76 kj La chaleur de formation de l acide sulfurique est de 76 kj. 4. Le benzène (C 6 H 6 ) brûle selon l équation suivante : C 6 H 6(l) + 5 O (g) 6 CO (g) + H O (g) À l aide des équations qui suivent, déterminez la chaleur de combustion du benzène. 6 C (s) + H (g) C 6 H 6(l) ΔH +49 kj/mol de C 6 H 6 C (s) + O (g) CO (g) ΔH 9,5 kj/mol de CO H (g) + O (g) H O (g) ΔH 4,8 kj/mol de H O C 6 H 6(l) 6 C (s) + H (g) H 49,0 kj 6 C (s) + 6 O (g) 6 CO (g) H 9,5 kj 6 6 kj H (g) + O (g) H O (g) H 4,8 kj 75,4 kj 5 C 6 H 6(l) + O (g) 6 CO (g) + H O (g) H 5,4 kj La chaleur de combustion du benzène est de 5,4 kj. les classes où les cahiers sont utilisés. 6 N87

7 5. À l aide des équations suivantes, déterminez la chaleur molaire de formation de l alcool méthylique (CH OH). CH OH (l) + O (g) CO (g) + H O (l) C (s) + O (g) CO (g) H (g) + O (g) H O (l) ΔH 75,5 kj ΔH 9,5 kj ΔH 85,8 kj C (s) + H (g) + O (g) CH OH (l) Réorganisation et addition des équations : CO (g) + H O (l) CH OH (l) + O (g) C (s) + O (g) CO (g) H +75,5 kj H 9,5 kj H (g) + O (g) H O (l) H 85,8 kj 57,6 kj C (s) + H (g) + O (g) CH OH (l) H +9,6 kj La chaleur molaire de formation est de +9,6 kj/mol d alcool méthylique. 6. À l aide du tableau des chaleurs de formation, déterminez la chaleur de chacune des réactions suivantes en appliquant la loi de Hess. a) La combustion du butane. C 4 H 0(g) + O (g) 4 CO (g) + 5 H O (g) Mécanisme de réaction : C 4 H 0(g) 4 C (s) + 5 H (g) H +5,7 kj 4 C (s) + 4 O (g) 4 CO (g) H 9,5 kj kj 5 5 H (g) + O (g) 5 H O (g) H 4,8 kj 5 09 kj C 4 H 0(g) + O (g) 4 CO (g) + 5 H O (g) H 657, kj les classes où les cahiers sont utilisés. 7 N87

8 b) La combustion de l acide sulfhydrique (H S). H S (g) + O (g) H SO 4(l) Mécanisme de réaction : H S (g) H (g) + S (s) H (g) + O (g) + S (s) H SO 4(l) H S (g) + O (g) H SO 4(l) H +0,6 kj H 84,0 kj H 79,4 kj c) La dissolution de l acide chlorhydrique gazeux. HCl (g) HCl (aq) Mécanisme de réaction : HCl (g) H (g) + Cl (g) H (g) + Cl (g) HCl (aq) HCl (g) HCl (aq) H +9, kj H 67, kj H 74,9 kj d) La sublimation du pentachlorure de phosphore. PCl 5(s) PCl 5(g) Mécanisme de réaction : 5 P + Cl (g) PCl 5(g) PCl 5(s) P + Cl (g) PCl 5(s) PCl 5(g) 5 H 74,9 kj H +44,5 kj H +68,6 kj les classes où les cahiers sont utilisés. 8 N87

9 7. Voici un mécanisme de réaction qui pourrait expliquer la production de l acide sulfureux. Étape : Étape : Étape : SO (g) + Énergie S (s) + O (g) H O (g) + Énergie H (g) + O (g) H (g) + S (s) + O (g) H SO (aq) + Énergie SO (g) + H O (g) H SO (aq) + Énergie Quel graphique, parmi les suivants, peut illustrer ce mécanisme de réaction? Expliquez votre réponse. A. X B. C. D. C est le graphique B qui peut illustrer ce mécanisme, car les deux premières étapes sont endothermiques, tandis que la troisième étape, ainsi que la réaction globale, sont exothermiques. les classes où les cahiers sont utilisés. 9 N87

10 SYNTHÈSE DU CHAPITRE 5. Le fer est un matériau résistant dont l usage est très répandu. Toutefois, s il n est pas protégé, il a tendance à s oxyder facilement selon l équation suivante : 4 Fe (s) + O (g) Fe O (s) À l aide des équations suivantes, déterminez la chaleur molaire de l oxydation du fer. Fe (s) + O (g) FeO (s) H 544 kj 4 FeO (s) + O (g) Fe O (s) H 560 kj 4 Fe (s) + O (g) Fe O (s) Réorganisation et addition des équations : 4 Fe (s) + O (g) 4 FeO (s) H 544 kj 088 kj 4 FeO (s) + O (g) Fe O (s) H 560 kj 4 Fe (s) + O (g) Fe O (s) H 648 kj Chaleur molaire de l oxydation du fer : 648 kj 4 kj/mol 4 mol La chaleur molaire de l oxydation du fer est de 4 kj/mol de Fe.. Pendant la dissolution de 5,00 g d un sel dans 50,0 ml d eau, Valérie constate que la température diminue de,0 C. Quelle est la chaleur massique de dissolution de ce sel? Calcul de la chaleur du calorimètre : Q calorimètre m eau c eau T eau 50,0 g 4,9 J/g C,0 C 4,5 J Détermination de la chaleur de réaction : Q réaction Q calorimètre ( 4,5 J) +4,5 J Calcul de la chaleur massique : +4,5 J +68,5 J/g 5,00 g La chaleur massique de dissolution est de +68,5 J/g de ce sel. les classes où les cahiers sont utilisés. 0 N87

11 . Au cours d une expédition en forêt, Blaise apporte un réchaud au méthanol pour préparer ses repas. Si la chaleur molaire de combustion du méthanol est de 76 kj/mol de CH OH, quelle masse de méthanol est nécessaire pour amener à ébullition,0 L d eau initialement à 5,0 C? (On considère que les pertes d énergie dans le milieu environnant sont négligeables.) Calcul de l énergie absorbée par l eau : Q calorimètre m eau c eau T eau 000 g 4,9 J/g C (00 C 5,0 C) 4 50 J Détermination de la chaleur de réaction : Q réaction Q calorimètre 4 50 J ou 4,5 kj Calcul de la masse du méthanol : 76 kj 76 kj équivaut à mol,05 g 76 kj,05 g 4,5 kj? g,05 g 4,5 kj 76 kj,87 g Il faut environ 4 g de méthanol. les classes où les cahiers sont utilisés. N87

12 4. Soit les réactions suivantes : Zn (s) + O (g) ZnO (s) S (s) + O (g) SO (g) SO (g) + O (g) SO (g) ZnO (s) + SO (g) ZnSO 4(s) H 48, kj H 96,8 kj H 98,9 kj H,0 kj Quelle est la chaleur mise en jeu lors de la formation de 6,00 g de sulfate de zinc? Zn (s) + S (s) + O (g) ZnSO 4(s) Réorganisation et addition des équations : Zn (s) + O (g) ZnO (s) H 48, kj S (s) + O (g) SO (g) SO (g) + O (g) SO (g) ZnO (s) + SO (g) ZnSO 4(s) Zn (s) + S (s) + O (g) ZnSO 4(s) 5,90 kj H 96,8 kj H 98,9 kj H,0 kj H 966,0 kj Chaleur de la formation de 6,00 g de sulfate de zinc : 966,0 kj? kj 6,45 g 6,00 g 966,0 kj 6,00 g 6,45 g La chaleur de la formation de 6,00 g de sulfate de zinc est de 5,9 kj. les classes où les cahiers sont utilisés. N87

13 5. À l aide des données du tableau ci-dessous, déterminez la chaleur de la réaction suivante : CH 4(g) + Cl (g) CH Cl (g) + HCl (g) Substance Formule chimique Chaleur molaire de formation (en kj/mol) Acide chlorhydrique HCl (g) 9, Chlorure de méthyle CH Cl (g) 8,8 Méthane CH 4(g) 74,8 CH 4(g) + Cl (g) CH Cl (g) + HCl (g) Réorganisation et addition des équations CH 4(g) C (s) + H (g) H +74,8 kj C (s) + H (g) + Cl (g) CH Cl (g) H (g) + Cl (g) HCl (g) CH 4(g) + Cl (g) CH Cl (g) + HCl (g) H 8,8 kj H 9, kj H 99, kj La chaleur de la réaction est de 99, kj. les classes où les cahiers sont utilisés. N87

14 DÉFIS DU CHAPITRE 5. La production annuelle mondiale d acide sulfurique est impressionnante. Elle se situe au-delà de 00 millions de tonnes. L acide sulfurique constitue une matière première pour la fabrication de divers produits, dont des engrais phosphatés et des pigments blancs au dioxyde de titane. La fabrication industrielle de l acide sulfurique se fait en trois étapes, à haute température. L étape consiste à brûler du soufre pour produire du dioxyde de soufre. Pendant l étape, ce produit se transforme en trioxyde de soufre au contact du dioxygène. Pour finir, ce dernier se combine à de l eau pour former l acide sulfurique. Cette troisième et dernière étape est illustrée par l équation suivante : SO (g) + H O (l) H SO 4(l) a) Étant donné les équations suivantes, quelle quantité d énergie est associée à la production de,000 kg d acide sulfurique à partir du trioxyde de soufre? H (g) + O (g) H O (g) H (g) + O (g) H O (l) S (s) + O (g) SO (g) S (s) + O (g) SO (g) S (s) + H (g) + O (g) H SO 4(l) H 4 kj H 86 kj H 97 kj H 96 kj H 8 kj. Écrire l équation globale balancée. SO (g) + H O (l) H SO 4(l). Choisir les équations pertinentes. S (s) + O (g) SO (g) H (g) + O (g) H O (l) S (s) + H (g) + O (g) H SO 4(l) H -96 kj H -86 kj H -8 kj. et 4. Réorganiser et additionner les équations. SO (g) S (s) + O (g) H O (l) H (g) + O (g) S (s) + H (g) + O (g) H SO 4(l) SO (g) + H O (l) H SO 4(l) H +96 kj H +86 kj H 8 kj H 9 kj La chaleur de la réaction est de 9 kj pour la production de mol d acide sulfurique. 9 kj mol? kj 000 g équivaut à 9 kj 98,09 g 000 g 9 kj 98,09 g 9 kj 98,09 g 5, kj La production de,000 kg d acide sulfurique dégage 5 kj. les classes où les cahiers sont utilisés. 4 N87

15 b) Quelle étape de la fabrication d acide sulfurique met en jeu la plus grande quantité d énergie? Expliquez votre réponse. Détermination de l énergie associée à la première étape : L équation de la première étape est : S (s) + O (g) SO (g) H 97 kj La chaleur de réaction de la première étape est de 97 kj. Détermination de l énergie associée à la deuxième étape :. Écrire l équation globale balancée. SO (g) + O (g) SO (g). Choisir les équations pertinentes. S (s) + O (g) SO (g) S (s) + O (g) SO (g) H 97 kj H 96 kj. et 4. Réorganiser et additionner les équations. SO (g) S (s) + O (g) H +97 kj S (s) + O (g) SO (g) H 96 kj SO (g) + O (g) SO (g) H 99 kj La chaleur de la réaction de la deuxième étape est de 99 kj. Détermination de l énergie associée à la troisième étape : La chaleur de la troisième étape est de 9 kj. L étape qui met en jeu la plus grande quantité d énergie est la première étape. les classes où les cahiers sont utilisés. 5 N87

16 . Au laboratoire, Julie prépare 00 ml d une solution saturée de sulfate de cuivre. Si la température initiale de l eau est de,0 C, quelle sera la température finale de la solution? (On considère qu il n y a pas de perte d énergie dans le milieu environnant.) Calcul du nombre de moles de sulfate de cuivre La solubilité du sulfate de cuivre est de 0 g/l, ce qui correspond à sa concentration. Donc : m C, d où m CV V m 0 g/l 0,00 L 44,0 g m m M, d où n n M 44,0 g n 59,6 g/mol 0,76 mol Calcul de la chaleur de réaction H 67,7 kj/mol de CuSO 4 67,7 kj? kj mol 0,76 mol 67,7 kj 0,76 mol mol 8,685 kj ou J Détermination de la chaleur de l eau Q eau Q réaction ( J) J Calcul de la variation de température de l eau Q eau m eau c eau T eau, d où ΔT eau m eau c eau J ΔT eau 00 g 4,9 J/g C, C Calcul de la température finale de l eau T eau T f T i, d où T f T eau + T i T f,0 C +, C 45, C Q eau La température finale de la solution sera de 45, C. les classes où les cahiers sont utilisés. 6 N87