L’énergie en chimie : cohésion et transformation de la matière

Chimie niveau 1ere S

L’énergie en chimie : cohésion et transformation de la matière

I – Cohésion de la matière

1- Dans la molécule

a) Rappel

Une molécule est un assemblage électriquement neutre d’atomes liés par des liaisons covalentes.

Longueur de la liaison covalente de l’ordre de 10-10m

 

b) Energie de liaisons des molécules diatomiques

La formation d’une liaison entre 2 atomes A et B correspond à une libération d’énergie alors que la rupture de cette liaison nécessite un apport d’énergie.

Dans une espèce diatomique AB, l’énergie de liaison, notée D_AB, est l’énergie qu’il faut fournir à une mole de molécule AB prises à l’état gazeux pour les dissocier en atome gazeux selon la réaction :          AB_(g) ® A_(g) + B_(g).

Elle s’exprime en J.mol^-1 (souvent en kJ.mol^-1).

Exemples :

N º N _(g) ® 2 N_(g)  D_N-N = 945kJ.mol^-1

O =O _(g) ® 2 O_(g)   D_O-O = 498kJ.mol^-1

H - Cl _(g) ® H_(g) + Cl_(g)      D_H-Cl = 428kJ.mol^-1

Energies moyennes de liaison à 25°C :

Liaison A-B	DA-B (kJ.mol-1)
C-H	410
C-Cl	327
O-H	460
N-H	388
C-C	348
C=C	612
CºC	835
C-O	356
C=O	708

Diagramme d’énergie de la molécule d’HCl :

Energie

1mol de H(g) + 1mol de Cl(g)

1mol de HCl(g)

E reçue par le système (428kJ)

E fournie par le système (428kJ)

 

c) Energie de cohésion des molécules polyatomiques

Lorsqu’une molécule possède plus de deux atomes, elle possède une énergie de cohésion notée DE en J.mol^-1.

C’est l’énergie qu’il faut fournir à 1mol de molécules à l’état gazeux pour les dissocier en atomes à l’état gazeux.

Elle est égale à la somme des énergie de chacune des liaisons présentes dans la molécule

Exemples :

1)    Calculer l’énergie de cohésion de la molécule d’éthane.

CH₃ – CH₃         possède 1 liaison C-C et 6 liaisons C-H.

Réaction : CH₃ – CH_3(g) ® 2C_(g) + 6H_(g)      DE

DE = D_C-C + 6D_C-H = 348 + 6x410 = 2808kJ.mol^-1

2)   a) Déterminer les formules brutes de la propanone A et du prop-2-èn-1-ol B.

O

OH

 

b)   Quelle relation existe-t-il entre ces deux espèces ?

c)    Calculer leurs énergies molaires de cohésion. Conclure.

a)    Formule brute : C₃H₆O

b)   A et B , qui ont la même formule brute, C₃H₆O, mais des formules développées différentes, sont des isomères de constitution.

c)    La propanone comporte deux liaisons simples C- C, six liaisons C- H et une double liaison C= 0.

Son énergie molaire de cohésion est :

DE = 2D_C-C + 6D_C-H + D_C=O = 2x348 + 6x410 + 708 = 3864KJ.mol^-1

Le prop-2-èn-1-ol comporte une double liaison C=C, une liaison simple C- C , une liaison simple C-O, cinq liaisons C- H et une liaison O-H.

Son énergie molaire de cohésion est :

DE = D_C=C + D_C-C + D_C-O + 5D_C-H + D_O-H = 612 + 348 + 356 + 5x410 + 460 = 3826KJ.mol^-1

Deux isomères de constitution n’ont pas la même énergie de cohésion.

2- Dans un assemblage de molécules (gaz, solide ou liquide)

a) Rappel : état de la matière

L’état gazeux est un état très désordonné.

L’état liquide est un état désordonné.

L’état solide est une état ordonné.

Liquide

Soliide

gaz

sublimation

condensation

solidification

fusion

vaporisation

liquéfaction

 

Dans les états liquide et solide, il existe des liaisons intermoléculaires ( ex : liaisons hydrogène). Ces liaisons sont beaucoup moins fortes que des liaisons covalentes.

Il faut tout de même fournir une énergie pour détruire ces liaisons intermoléculaires et permettre le passage d’un état à un autre.

b) Energie de cohésion intermoléculaire d’un solide ou d’un liquide

C’est l’énergie qu’il faut fournir à un assemblage de molécules pour disperser les molécules de telle façon qu’elles n’est plus d’interaction les unes avec les autres (état gazeux).

Exemple :

I_2(s) ® I_2(g)            E_sublimation(I₂) = 62,4kJ.mol^-1

(comparaison : DE(I₂) = 153kJ.mol^-1)

exercice :

1) Définir l’énergie de cohésion de la molécule d’éthanal C₂H₄O.

2) Donner l’expression de cette énergie de cohésion en fonction des énergies de liaison données dans le cours. La calculer.

3) L’énergie de cohésion de l’éthanal liquide a pour valeur 26,1kJ.mol^-1. Que représente d’un point de vue physique cette énergie ?

1) L’énergie de cohésion de la molécule d'éthanal est l’énergie à transférer à

une mole de molécules d'éthanal à l’état gazeux pour les dissocier entièrement

en atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, tous à l’état gazeux.

H

H

H

O

C’est donc l’énergle transférée au cours de la réaction :

C₂H₄O_(g) ®   2 C_(g) + 4 H_(g) + O_(g)

2) La formule développée de la molécule d'éthanal est: H – C - C

Elle possède 4 liaisons C-H, 1 liaison C-C et 1 liaison C=O.

L’énergie de cohésion de la molécule d’éthanal est donc

DE = D_C-C + 4 D_C-H + D_C=0 = 348 + 4x410 + 708 = 2696kJ.mol^-1

3) L’énergie de cohésion de 1'éthanal liquide est différente de l’énergie de cohésion de la molécule d’éthanal. Elle représente l’énergie à transférer à une mole de molécules d’éthanal à l’état liquide pour les dissocier en molécules d’éthanal à l’état gazeux. Au cours de cette transformation, on ne brise pas de liaisons intramoléculaires, mais uniquement les liaisons intermoléculaires beaucoup moins fortes.

II – Transformation de la matière

       1- Energie de réaction

Une énergie de réaction est la variation d’énergie chimique qui accompagne la transformation d’un système. Elle dépend des énergies de liaison.

Une réaction qui libère de l’énergie est exothermique. (ex : mélange eau + acide)

Une réaction qui absorbe de l’énergie est endothermique.(ex : fonte d’un glaçon)

         2- Les changements d’état

a) Premier effet thermique

Sous une pression déterminée, un changement d’état s’effectue à une température déterminée : la température reste constante tant que les deux états sont simultanément présents.

Exemple : les changements d’état de l’eau

On apporte de l’énergie au système ; cette énergie est utilisée

-          soit pour augmenter la température

-          soit pour réaliser le changement d’état.

Temps

T°

0°C

100°C

Etat solide

Etat liquide

Etat gazeux

 

L’énergie utilisée pour provoquer le changement d’état d’une mole d’une espèce chimique s’appelle « la chaleur latente ».

Elle se note Q (ou L) en J.mol^-1.

Ex : chaleur latente de vaporisation de l’eau : Q_vap = 41kJ.mol^-1

chaleur latente de liquéfaction de l’eau : Q_liq = -41kJ.mol^-1

b) deuxième effet thermique

Le passage d’un état à un état moins ordonné est endothermique. (fusion, vaporisation, sublimation)

Le passage d’état à un état plus ordonné est exothermique.(solidification, condensation, liquéfaction).

         3- Les réactions chimiques

On étudiera les réactions ne faisant intervenir que des espèces gazeuses.

Activité p 187 (partie 1a et 2):

Correction

1. a. CH4(g) + 2O₂(g) --> CO2(g) + 2H₂O(g).

d. On n'a utilisé que deux molécules O2. 11 en reste deux, le dioxygène serait en excès lors d'une telle combustion.

2. a. Quatre liaisons C-H et deux liaisons O=O ont rompues. Deux liaisons C=0 et quatre liaisons 0-H sont formées.

b. L’énergie à fournir : E₁ = 4D_C-H + 2D_O=O.

c. L’énergie libérée : E₂ = 2 Dc=o + 4 D_O-H.

d. Une « mole de liaisons C-H >> correspond à 6,0.10²³ liaisons C-H

6,8.10^-19 x 6,0.10²³ = 4,1 . 10⁵ J soit 410 kJ environ. Les valeurs sont en accord.

e. E₁ = 4 x 410 + 2 x 494 = 2 628 kJ (énergie reçue par le milieu réactionnel).

E2 = 2 x 795 + 4 x 460 = 3430 kJ (énergie cédée par le milieu réactionnel).

f. La variation d'énergie du milieu réactionnel est

DE = E₁ - E₂ = 2628 - 3430 = - 802 kJ.

Le système chimique perd de l’énergie : il cède de l’énergie à 1'environnement. La combustion est exothermique : l’énergie est fournie sous forme de chaleur.

Conclusion : L’énergie transférée lors d’une réaction chimique ne mettant en jeu que des espèces gazeuses, s’obtient en faisant le bilan énergétique des liaisons rompues et des liaisons formées : DE = S(liaisons rompues) -S(liaisons formées)

III – Problèmes et avantagEs des énergies libérées lors de réactions

         1- Production d’énergie

Les réactions de combustion sont fortement exothermiques. Elles permettent la production d’énergie nécessaire :

-          au transport

-          au chauffage

-          à la production d’électricité (dans les centrale thermique).

2- Problèmes pour l’environnement

Ces réactions de combustion libèrent des gaz nocif pour l’environnement

-          CO₂ qui provoque l’effet de serre ;

-          SO₂ qui contribue aux pluies acides ;

-          NO₂ qui pollue l’air …..