DEVOIR DE THERMOCHIMIE

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1 DEVOIR DE THERMOCHIMIE Données fournies Constante des gaz parfaits: R= 8,31 kpa.l.k-1.mol -1 Nombre d'avogadro: N A = 6,02 x mol -1. Capacité thermique massique de l'eau solide: 2,14 J/g. C. Capacité thermique massique de l'eau liquide: 4,18 J/g. C. Capacité thermique massique de l'eau gazeuse: 2,02 J/g. C. Capacité thermique massique de l'alcool: 2,41 J/g. C. Chaleur de vaporisation de l'eau liquide: J/g. Capacité thermique massique du cuivre: 0,39 J/g. C. Capacité thermique massique de l'aluminium: 0,9 J/g. C. Capacité thermique massique de l'étain: 0,22 J/g. C. Capacité thermique massique du zinc: 0,38 J/g. C. Chaleur de neutralisation: ΔH = - 56 kj/mol H2O. Chaleur de dissolution de NaNO3(s): ΔH = + 21 kj/mol NaNO3. Chaleur de dissolution de NaOH(s): ΔH = - 42 kj/mol NaOH On peut considérer que les solutions acides et basiques ont la même masse volumique et la même chaleur massique que l'eau. Chaleur de fusion de l'eau solide: 335 J/g. Capacité thermique massique de l'alcool: 2,41 J/g. C. Chaleur de vaporisation de l'eau liquide: J/g. 1) Résoudre les problèmes de calorimétrie suivants (18 points) a) Quelle est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 20 g d'aluminium de 50 K. La chaleur massique de l'aluminium est de 0,9 J/g.ºC. b) Un cube en aluminium est chauffé avec la quantité de chaleur capable d'élever la température de 20 g d'eau de 10 ºC. Quel est le volume de ce cube sachant que l'élévation de température qu'il subit est de 40 º C. La chaleur massique de l'aluminium est de 0,9 J/g.ºC et sa masse volumique est de 2,7 g/cm 3. c) Au cours d'une électrolyse, les molécules d'eau sont décomposées en dihydrogène et en dioxygène en absorbant de l'énergie: une mole d'eau doit absorber 286 kj pour être décomposée. On électrolyse complètement 20 g d'eau. Calculer la quantité de chaleur absorbée. d) Quelle est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 6 moles d'eau de 10 º C? Page 1/8 Devoir et atelier de thermochimie René-Yves Hervé 2010

2 e) Quelle est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de dix milliards de molécules d'eau de 30 º C? f) Quelle masse de glace, initialement à - 10 ºC, doit-on plonger dans 200 ml d'eau liquide à 60 ºC pour que la température finale soit de 20 ºC? On ne considérera dans ce problème que les seuls échanges thermiques entre la glace et l'eau liquide. g) Avec quelle quantité de chaleur doit-on chauffer 20 g de glace à - 5 º C pour que toute la glace fonde? h) On chauffe un morceau de laiton à 98,7 ºC dans de l'eau bouillante; sa masse est de 77,5 g. On le place alors rapidement dans un calorimètre contenant 102,76 g d'eau à 18,5 ºC. Sachant que la température finale est de 23,5 ºC, quelle est la capacité thermique de cet alliage? i) On mélange 50 g d'eau à 20 ºC avec 60 g d'alcool à 50 ºC. Quelle sera la température finale lorsque l'équilibre thermique sera atteint? 2) Vous réalisez les expériences énumérées ci-après. Calculer dans chaque cas la température finale du mélange en précisant la nature des différents échanges thermiques ( points) a) Expérience 1: Mélanger 100 ml d'une solution de HCl (1 mol/l), initialement à 24ºC, avec 100 ml d'une solution de NaOH (1 mol/l), initialement à 24ºC, b) Expérience 2: Mettre un cube d'aluminium, dont la masse est de 60 g, dans 100 ml d'une solution de NaOH (1 mol/l), initialement à 24ºC; puis ajouter 100 ml d'une solution de HCl (1 mol/l), initialement à 24ºC. c) Expérience 3: Mettre un cube de cuivre, dont la masse est de 60 g, dans 100 ml d'une solution de NaOH (1 mol/l), initialement à 24ºC; puis ajouter 100 ml d'une solution de HCl (1 mol/l), initialement à 24ºC. d) Expérience 4: Mettre un cube d'étain, dont la masse est de 60 g, dans 100 ml d'une solution de NaOH (1 mol/l), initialement à 24ºC; puis ajouter 100 ml d'une solution de HCl (1 mol/l), initialement à 24ºC. e) Expérience 5: Mettre un cube de zinc, dont la masse est de 60 g, dans 100 ml d'une solution de NaOH (1 mol/l), initialement à 24ºC; puis ajouter 100 ml d'une solution de HCl (1 mol/l), initialement à 24ºC. 3) Résoudre les problèmes de calorimétrie suivants (22 points) a) Le nitrate de sodium (NaNO3) est un engrais. Une compagnie vend du nitrate de sodium mélangé avec du sable. Au laboratoire, vous mélangez 4 g de ce produit avec 50 Page 2/8 Devoir et atelier de thermochimie René-Yves Hervé 2010

3 ml d'eau à 22 ºC; la température finale est de 18,5 ºC. Quel est le pourcentage en masse de NaNO3 dans l'échantillon? b) On mélange 4 g de NaOH (s) avec 100 ml d'une solution de HCl (1 M). Quelle sera l'élévation de température c) On réalise une réaction de neutralisation dans un calorimètre dont la masse est de 100 g. On verse dans ce calorimètre 100 ml d'une solution de HCl (1 mol/l) et 200 ml d'une solution de NaOH (1 mol/l). Sachant que l'élévation de température est de 4,38 ºC, calculer la capacité thermique du calorimètre. d) Quelle masse de glace, initialement à - 10 ºC, doit-on plonger dans 200 ml d'eau liquide à 60 ºC pour que la température finale soit de 20 ºC? On ne considérera dans ce problème que les seuls échanges thermiques entre la glace et l'eau liquide. e) Avec quelle quantité de chaleur doit-on chauffer 20 g de glace à - 5 º C pour que toute la glace fonde? f) On chauffe un morceau de laiton à 98,7 ºC dans de l'eau bouillante; sa masse est de 77,5 g. On le place alors rapidement dans un calorimètre contenant 102,76 g d'eau à 18,5 ºC. Sachant que la température finale est de 23,5 ºC, quelle est la capacité thermique de cet alliage? g) Un échantillon de 45,0 g d'un métal est chauffé à 90 ºC et ensuite il est plongé dans 82 g d'eau à 23,5 ºC. L'eau atteint une température finale de 26,25 ºC. Quelle est la chaleur massique de ce métal? h) La quantité de chaleur libérée au cours de la synthèse de l'eau liquide est - 285,83 kj/ mole H2O. On introduit dans un eudiomètre du dihydrogène jusqu'à ce que la pression soit de 40 cm de Hg, le volume est alors de 5 ml; puis du dioxygène jusqu'à ce que la pression soit de 20 cm de Hg. Le volume total du gaz dans l'eudiomètre est alors de 20 ml. Quand on fait jaillir l'étincelle électrique le dioxygène réagit avec le dihydrogène pour donner de l'eau liquide et on supposera que la réaction est totale. Calculer la chaleur libérée au cours de la réaction et le volume d'eau formé, sachant que la température au moment de l'expérience est de 25 ºC. i) On se sert de l'éthane (C2H6) du gaz naturel dans la préparation de l'éthylène pour le plastique. L'éthane a un point d'ébullition de - 89 ºC et une chaleur latente de vaporisation de 15,65 kj/mol. Quelle quantité d'énergie est libérée au cours de la liquéfaction de 100 kg d'éthane? Quel volume d'air peut-on refroidir de 29 à 19 ºC par la vaporisation de 1 kg d'éthane utilisé comme réfrigérant? 4) Résoudre les problèmes sur les chaleurs de réaction et la loi de Hess (12 points) Page 3/8 Devoir et atelier de thermochimie René-Yves Hervé 2010

4 a) L'enthalpie molaire de combustion du gaz naturel est de kj/mol; on supposera que le gaz naturel ne contient que du méthane (CH4) et que le rendement de la réaction est de 100 %. Quelle est la masse minimale de gaz naturel que l'on doit brûler dans un Bec Bunsen pour chauffer 3,77 Ld'eau de 16,8 ºC à 98,6ºC? b) Quelle est la variation d'enthalpie de la réaction de production du dihydrogène à partir du méthane et de la vapeur d'eau selon la réaction suivante? CH4 (g) + H2O (g) > CO (g) + H2(g) c) On détermine le contenu énergétique des aliments par combustion dans une bombe calorimétrique ayant une capacité thermique de 9,22 kj/ºc. Lorsqu'on brûle 3 g de beurre dans du dioxygène en excès, la température de cette bombe calorimétrique passe de 19,62 à 31,80 ºC. Quelle est la capacité thermique massique du beurre? d) L'ammoniac (NH3) est un produit de base dans la fabrication des engrais. Des recherches en laboratoire ont prouvé que le diazote de l'air réagit avec l'eau, sous l'effet de la lumière solaire et en présence de catalyseur, pour produire de l'ammoniac et du dioxygène. Quelle est la variation d'enthalpie de cette réaction? Quelle est la quantité d'énergie solaire requise pour produire 1 kg de 'ammoniac? Si on dispose quotidiennement de 3,60 MJ d'énergie solaire par mètre carré, quelle surface de collecteur solaire fournirait l'énergie solaire pour préparer 1 kg d'ammoniac par jour? 5) Observez bien le diagramme d'énergie ci-dessous, puis répondre aux questions suivantes. (16 points) a) Identifier chacune des parties du diagramme identifiées par les lettres de «a» à «g». b) Quelle est la valeur de l'énergie d'activation de la réaction directe? c) Quelle est la valeur de l'énergie d'activation de la réaction inverse? d) Quelle est la valeur du «ΔH» de la réaction directe? e) Quelle est la valeur du «ΔH» de la réaction inverse? g) Dans quel sens la réaction est-elle endothermique? Page 4/8 Devoir et atelier de thermochimie René-Yves Hervé 2010

5 h) Dans quel sens la réaction est-elle exothermique? i) Dans quel sens la réaction est-elle la plus rapide? 6) Au cours d'une réaction chimique, les molécules de A et B se transforment en molécules C et D. Le mécanisme de réaction fait intervenir deux molécules de complexes activés et deux molécules temporaires (M 1 et M 2 ); le diagramme ci-dessous représente ce mécanisme. a) Donnez les caractéristiques des étapes de la réaction directe. Écrire l'équation globale de la réaction directe. Nombre d étapes. o Pour chaque étape : l équation chimique, le complexe activé, les réactifs et les produits. L énergie d'activation et la variation d enthalpie de la réaction directe exprimées en kj. o Pour chaque étape : l énergie d activation et l énergie de désactivation. b) Donnez les caractéristiques des étapes de la réaction inverse. Écrire l'équation globale de la réaction inverse. Nombre d étapes. Page 5/8 Devoir et atelier de thermochimie René-Yves Hervé 2010

6 o Pour chaque étape : l équation chimique, le complexe activé, les réactifs et les produits. L énergie d'activation et la variation d enthalpie de la réaction inverse exprimées en kj. o Pour chaque étape : l énergie d activation et l énergie de désactivation. Page 6/8 Devoir et atelier de thermochimie René-Yves Hervé 2010

7 ATELIER DE THERMOCHIMIE I. QUESTIONS SUR L ACTIVITÉ UEL # 7 (5 points par question) 1) Dans un calorimètre contenant g d'eau froide à 19 C, on verse g d'eau chaude à 53 C. La température se stabilise à 33.8 C. Quelle est la capacité calorifique du calorimètre? 2) Dans un calorimètre contenant g d'eau froide à 17 C, on verse g d'eau chaude à 54 C. Sachant que la capacité calorifique du calorimètre est de J/K, calculer la température d'équilibre. 2) Dans un calorimètre contenant g d'eau froide à 5 C, on verse g d'eau chaude. À quelle température était l'eau chaude, sachant que la capacité calorifique du calorimètre est de J/K et que la température se stabilise à 29 C? 3) Dans un calorimètre de capacité calorifique J/K, on a versé 48 ml d'un solution d'acide sulfurique (H 2 SO 4 ) de normalité N à une température de 22.7 C. On a ensuite ajouté 468 ml d'un solution d'hydroxyde de sodium (NaOH) de normalité N. Quelle est la température finale du calorimètre? 4) Dans un calorimètre de capacité calorifique J/K, on a versé 477 ml d'un solution d'acide chlorhydrique de concentration mol/l à une température de 22.3 C. On a ensuite ajouté 48 ml d'un solution d'hydroxyde de sodium de concentration mol/l. Quelle est la température finale du calorimètre? 5) On a versé dans un calorimètre, dont la capacité calorifique est de 100 kj/k, 87 ml d'eau liquide à la température de 63 C. On introduit dans le calorimètre 10 g de glace à une température de - 7 C. Vous devez décrire l'état du système quand l'équilibre sera atteint: température du système, masse de glace, masse d'eau liquide. Comme réponse, on vous demande seulement la température finale du système. 6) On a versé dans un calorimètre, dont la capacité calorifique est de 100 kj/k, 102 ml d'eau liquide à la température de 72 C.On introduit dans le calorimètre 20 g de glace à une température de - 6 C. Vous devez décrire l'état du système quand l'équilibre sera atteint: température du système, masse de glace, masse d'eau liquide. Comme réponse, on vous demande seulement la masse d'eau liquide quand l'équilibre sera atteint, II. AUTRES QUESTIONS (5 points par question) 7) On mélange 50 g d'eau à 20 C avec 40 g d'eau à 50 C et 60 g d'eau à 65 C. Quelle est la température d'équilibre? 8) On mélange 30 g d'eau (4,18 J/g.C) à 20 C avec 80 g d'alcool (2,5 J/g.C) à 70 C et 10 g d'aluminium (0,9 J/g.C). Quelle est la température d'équilibre? 9) On mélange 50 ml d'une solution de KOH (1,0 mol/l) avec 100 ml d'une solution d'acide chlorhydrique HCl (2,0 mol/l). Sachant que la température initiale des deux solutions était de 23 C, quelle sera la température finale quand l'équilibre thermique sera atteint? Page 7/8 Devoir et atelier de thermochimie René-Yves Hervé 2010

8 10) On mélange 50 ml d'une solution de NaOH (2,0 mol/l) avec 100 ml d'une solution d'acide chlorhydrique HCl (1,0 mol/l). Sachant que la température initiale des deux solutions était de 20 C, quelle sera la température finale quand l'équilibre thermique sera atteint. 11) La chaleur molaire de dissociation du NaOH (s) est de - 42 kj/mol. La chaleur molaire de neutralisation des ions H + (aq) par les ions OH - (aq) est de kj/mol. On dissout 4,0 g de NaOH (s) dans 200 ml d'une solution de HCl (0,5 mol/l), initialement à 22 C. Quelle sera la température finale? Page 8/8 Devoir et atelier de thermochimie René-Yves Hervé 2010