Chap. 10 Transformations de la matière et énergie I- Transformation physique et température 1- Etat physique et changement d état Sur Terre la matière se présente sous trois états physiques. a) Etat solide cristallisé C est un arrangement ordonné de molécules disposées dans un réseau cristallin difficilement déformable, en conséquence un solide possède une forme et un volume bien défini. b) L état liquide Les molécules peuvent glisser les unes par rapport aux autres (qui donne la fluidité ou viscosité à l échelle macroscopique), c est un état désordonné, un liquide n a pas de forme propre (il prend celle du récipient qui le contient). Solide et liquide sont des états condensés car les molécules sont en contact les unes des autres et il existe entre elles des liaisons intermoléculaires c) L état gazeux Voir cours de seconde. Les molécules sont à grande distance les unes des autres par rapport à leur taille. Elles ont un mouvement incessant (lié à la température), les forces intermoléculaires deviennent négligeables et un gaz n a ni forme ni volume propres, il est expansible et compressible, c est un état très désordonné. d) Changement d état Le passage d un état à un autre nécessite une modification de l énergie de l état initial. A pression constante les changements d état des corps purs se font à température constante. 2- Transferts thermiques Quand deux corps de températures différentes entre en contact, il y a un échange d énergie, appelée transfert thermique. Il s effectue toujours du corps chaud vers le corps froid. Le transfert thermique dure jusqu'à l équilibre thermique des deux corps. Il peut conduire à la variation de la température des corps (augmentation de l un diminution de l autre) ou au changement d état physique. 3- Interprétation microscopique La température d un échantillon est une grandeur macroscopique qui augmente quand l agitation thermique des molécules augmente Page 1 sur 5
4- Energie et changement d état On appelle chaleur latente de changement d état d une espèce chimique l énergie échangée sous forme de chaleur avec le milieu extérieur à pression et température constantes par une mole de cette espèce chimique lors du changement d état considéré. Le passage d un état ordonné de matière à un état moins ordonné est un phénomène endothermique, il faut fournir de l énergie au système pour ce changement d état L vap = - L liq L sol = - L fus L sub = - L cond Au cours d un changement d état, l énergie perdue ou gagnée par le corps correspond à une modificaion de l intensité des interactions entre les particules, plus ces interactions sont fortes, plus les températures de changement d état sont élevées II- Les alcanes et les alcools 1- Nomenclature Les alcanes ne possèdent que des carbones tétravalents et des hydrogènes. Il n y a que des liaisons simples Si un atome de carbone est lié à au moins trois autres atomes de carbones la chaîne est ramifiée. Si la chaîne carbonée se referme sur elle-même, elle est cyclique. Si la chaîne est ni ramifiée, ni cyclique, elle est linéaire. Les alcools comportent un groupe hydroxyle OH porté par un carbone tétravalent. (Quatre liaisons simples) Pour nommer un alcane : On cherche la chaîne carbonée la plus longue, le préfixe est donné par le nombre d atome de carbone et la terminaison est -ane. 1C : méth 2C : éth 3C : prop 4C : but 5C : pent 6C : hex 7C : hept 8C : oct 9C : non 10C : déc Si la chaine est cyclique on ajoute devant le préfixe cyclo Ensuite on cherche à obtenir le plus de petits groupes possibles, plutôt que des gros groupes qui portent la terminaison yle, s il y en a plusieurs identiques, di, tri, tétra, penta On numérote la chaine carbonée pour donner le plus petit nombre à ces groupes que l on place par ordre alphabétique dans le nom de la molécule précédé de leur place dans la chaîne. Pour nommer un alcool : On cherche la chaîne carbonée la plus longue contenant le groupe hydroxyle OH et le préfixe est donné par le nombre d atome de carbone et la terminaison est ol précédée de la place de la fonction hydroxyle. On numérote la chaine carbonée pour donner le plus petit numéro à l atome de carbone portant le groupe hydroxyle Identifier les substituants éventuels et les placer dans le nom par ordre alphabétique. Page 2 sur 5
CH 3 - CH 2 - OH : éthanol CH 3 5 4 3 2 1 CH 3 C CH 2 CH CH 3 CH 3 OH :4,4 diméthylpentan-2-ol 2- Propriétés physiques Les températures de fusion et d ébullition des alcanes à chaîne linéaire augmentent avec le nombre de carbone. Pour n < 5 les alcanes sont gazeux, pour 5< n <15 ils sont liquides et au dessus ils sont solides. Un alcool a toujours une température d ébullition plus élevée que l alcane correspondant, ceci est du aux liaisons hydrogènes entre les molécules. 3- Densité et solubilité La densité d un composé liquide ou solide est le rapport de la masse volumique par la masse volumique de l eau ( 1000 kg.m -3 ). La densité augmente avec la valeur de n. Les hydrocarbures sont insolubles dans l eau, ils sont moins denses que l eau ils sont solubles entres eux. Le méthanol, l éthanol et le propanol sont miscibles en toute proportion dans l eau, ceci est du aux liaisons hydrogènes qui s établissent entre les groupes hydroxyles et les molécules d eau. La chaine carbonée tend à rendre la molécule insoluble. Donc la solubilité diminue quand la longueur de la chaîne augmente. III- Transformation chimique et énergie 1- Energie de liaison a) Molécule diatomique Lorsque deux atomes s unissent pour former une molécule, elle est plus stable que les deux atomes isolés, donc il y a libération d énergie, car gain de stabilité. Inversement, pour rompre une liaison il faut fournir de l énergie qui représente l énergie de cohésion de la molécule. L énergie de liaison D A-B est l énergie qu il faut fournir, à une température donner pour dissocier une mole de molécules AB à l état gazeux en une mole d atomes A et une mole d atomes B à l état gazeux. AB(g) A(g) + B(g) C est une grandeur positive qui s exprime en J.mol -1. b) Molécules polyatomiques L énergie molaire de cohésion intramoléculaire, ou énergie molaire d atomisation est l énergie qu il faut fournir à une mole de molécules prises à l état gazeux pour les dissocier en leurs atomes constitutifs à l état gazeux. C est la somme des énergies moyennes de chacune des liaisons de la molécule. H 2 O(g) 2 H(g) + O(g) E at = 2 D O-H E at = D liaisons Page 3 sur 5
2- Energie de transformation chimique a) Chaleur de réaction Il y a les réactions exothermiques : éthanol et allumette ou réaction acide base Et les réactions endothermiques comme mélanger 16 g de Ba(OH) 2, 8H 2 O avec + 8 g de NH 4 SCN Ba(OH) 2, 8H 2 O + 2 NH 4 SCN Ba(SCN) 2 + 2 NH 3 + 10 H 2 O Il existe aussi des réactions athermiques comme la réaction d estérification dont la température ne varie pas. Nous allons étudier la réaction de synthèse du chlorure d hydrogène Il n y a que les énergies de liaisons intramoléculaires. H 2(g) + Cl 2(g) 2 HCl (g) Qr = D H-H + D Cl-Cl - 2 D H-Cl = 432 + 240-2 428 Qr = - 184 kj.mol -1 La chaleur d une réaction est égale à la somme des énergies de liaison des réactifs diminuée de la somme des énergies de liaison des produits. Q r = E = E l (réactifs) - E l (produits) La chaleur de réaction est égale à la somme des énergies des liaisons rompues diminuée de la somme des énergies des liaisons formées. Q p = E = E l (rompues) - E l (formées) b) Energie et avancement Dans un bécher 1 : 20 ml de sulfate de cuivre concentré 5 mol.l -1 (n = 0,1 mol) 8g de poudre de zinc en excès (n> 0,1 mol) Dans un bécher 2 : 20 ml de sulfate de cuivre concentré 2,5 mol.l -1 (n = 0,05 mol) 8g de poudre de zinc en excès (n> 0,1 mol) Equation Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ E. I. n 1 n Zn > n 1 0 0 E. F. 0 n Zn - n 1 n 1 n 1 La variation de temperature est deux fois plus grande dans le tube 1 que dans le tube 2 L énergie chimique est proportionnelle à l avancement de la réaction. E = x Q r x en mol ; E en J ; Q r en J.mol -1 3- Equation de combustion Le mot combustion désigne le plus souvent une réaction au cours de laquelle une substance brûle dans le dioxygène en dégageant une grande quantité de chaleur. Une combustion est une réaction d oxydo-réduction par voie sèche. Le combustible est le réducteur, le comburant est l oxydant Equation Cu 2+ + Zn Cu + Zn 2+ E. I. n 1 / 2 n Zn > n 1 0 0 E. F. 0 n Zn - n 1 / 2 n 1 / 2 n 1 / 2 Les combustibles ne se limitent pas aux hydrocarbures et il existe d autres comburants que le dioxygène. Suivant la quantité de comburant apportée on parle de : - Combustion complète : CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O - Combustion incomplète : CH 4 + 3/2 O 2 CO + 2 H 2 O CH 4 + O 2 C + 2 H 2 O Page 4 sur 5
Les combustibles usuels sont des composés organiques. Les combustions libèrent beaucoup d énergie. En valeur absolue, les énergies molaires de changement d état sont très inférieures aux énergies de combustions. L énergie libérée par la combustion complète d une tonne de pétrole est la t.e.p. et 1 t.e.p. = 41,85 10 9 J 4- Chauffage d un corps L énergie fournie à un corps peut servir à deux choses - à élever la température de ce corps en restant dans le même état physique : Q = m c ( f - i ) Q est l énergie à fournir en J, m la masse de corps à chauffer en kg, c la capacité thermique massique en J.kg -1. C -1 f - i est la variation de température en C ou K - à lui permettre de changer d état : Q = m L m la masse de corps à chauffer en kg, L sont les chaleurs massiques de changement d état L fus, L vap, L sub en J.kg -1 Corps E comb (kj.mol -1 ) E vap (kj.mol -1 ) Méthane 882 8,18 Butane 2860 22,26 Benzène 3270 30,8 Octane 5512 42 éthanol 1367 43 Page 5 sur 5