III ? Problèmes et avantagEs des énergies libérées lors de ... - Free.fr

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.
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 DAB, 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 ( N (g) ( 2 N(g) DN-N = 945kJ.mol-1
O =O (g) ( 2 O(g) DO-O = 498kJ.mol-1
H - Cl (g) ( H(g) + Cl(g) DH-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 |
|C(C |835 |
|C-O |356 |
|C=O |708 | Diagramme d'énergie de la molécule d'HCl : c) Energie de cohésion des molécules polyatomiques Lorsqu'une molécule possède plus de deux atomes, elle possède une énergie
de cohésion notée (E 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 - CH3(g) ( 2C(g) + 6H(g) (E
(E = DC-C + 6DC-H = 348 + 6x410 = 2808kJ.mol-1
2) a) Déterminer les formules brutes de la propanone A et du prop-2-èn-1-
ol B. 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 :
(E = 2DC-C + 6DC-H + DC=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 :
(E = DC=C + DC-C + DC-O + 5DC-H + DO-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.
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 :
I2(s) ( I2(g) Esublimation(I2) = 62,4kJ.mol-1
(comparaison : (E(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.
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
(E = DC-C + 4 DC-H + DC=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.
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 : Qvap = 41kJ.mol-1
chaleur latente de liquéfaction de l'eau : Qliq = -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 = 4DC-H + 2DO=O.
c. L'énergie libérée : E2 = 2 Dc=o + 4 DO-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
(E = 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 : (E = ((liaisons rompues)
-((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 ..... -----------------------
Longueur de la liaison covalente de l'ordre de 10-10m 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) O OH Liquide Soliide gaz sublimation condensation solidification fusion vaporisation liquéfaction H H H O Temps T° 0°C 100°C Etat solide Etat liquide Etat gazeux