Loi de Hess et énergies de liaison
Pour chauffer ta maison, une chaudière brûle du gaz de ville, et la bouteille de butane du camping libère de l'énergie en brûlant. Pour le carbone, on mesure que la combustion complète d'une mole libère $393{,}5\ \mathrm{kJ}$. Mais si on brûle d'abord le carbone en monoxyde de carbone, puis ce monoxyde en dioxyde, on retrouve exactement le même total. Pourquoi l'énergie totale ne dépend-elle pas du chemin suivi ?
La loi de Hess
L'énergie échangée lors d'une transformation à pression constante ne dépend que de l'état initial et de l'état final, pas du chemin : on dit que $H$ est une fonction d'état. On peut donc passer de deux façons différentes des mêmes réactifs aux mêmes produits : l'énergie totale est la même.
À $298\,\mathrm{K}$, on souhaite évaluer la conversion du dioxyde de soufre en trioxyde de soufre, étape centrale de la synthèse industrielle de l'acide sulfurique :…
À $298\,\mathrm{K}$, on souhaite évaluer la conversion du dioxyde de soufre en trioxyde de soufre, étape centrale de la synthèse industrielle de l'acide sulfurique :
$$\mathrm{SO}_2(\mathrm{g}) + \frac{1}{2}\,\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{SO}_3(\mathrm{g})$$On dispose des données expérimentales pour les réactions de combustion et d'oxydation suivantes, à la même température et à la même pression :
(1) $\mathrm{S}(\mathrm{s}) + \mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{SO}_2(\mathrm{g}) \quad \Delta H_1^\circ = -296{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$
(2) $\mathrm{S}(\mathrm{s}) + \frac{3}{2}\,\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{SO}_3(\mathrm{g}) \quad \Delta H_2^\circ = -395{,}7\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$
- a) À l'aide de la loi de Hess, combiner algébriquement les équations (1) et (2) pour en déduire l'enthalpie standard de la réaction visée.
- b) Expliquer brièvement sur quelle propriété de la fonction d'état enthalpie repose la loi de Hess.
La combustion du carbone graphite peut se dérouler de façon complète pour donner du dioxyde de carbone ou en plusieurs étapes en passant par le monoxyde de carbone…
La combustion du carbone graphite peut se dérouler de façon complète pour donner du dioxyde de carbone ou en plusieurs étapes en passant par le monoxyde de carbone intermédiaire. Les relations énergétiques entre ces transformations à $298\,\mathrm{K}$ sont résumées dans le diagramme triangulaire suivant :
Les données thermochimiques à $298\,\mathrm{K}$ et $1\,\mathrm{bar}$ sont :
(Voie directe) $\mathrm{C}(\text{graphite}) + \mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{CO}_2(\mathrm{g}) \quad \Delta H_1^\circ = -393{,}5\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$
(Deuxième étape) $\mathrm{CO}(\mathrm{g}) + \frac{1}{2}\,\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{CO}_2(\mathrm{g}) \quad \Delta H_3^\circ = -283{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$
- a) Déterminer la valeur de l'enthalpie standard de formation du monoxyde de carbone gazeux, $\Delta H_2^\circ = \Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{CO}(\mathrm{g})]$, correspondant à la première étape.
- b) Justifier en détail l'indépendance vis-à-vis du chemin suivi en s'appuyant sur le cycle du diagramme.
Énergies molaires standard de formation
Il existe des millions de réactions : impossible de mesurer chacune. Peut-on tabuler une seule donnée par composé pour prévoir toutes les réactions ?
À $298\,\mathrm{K}$ et $1\,\mathrm{bar}$, on étudie la réaction de décomposition thermique du carbonate de calcium pour la production industrielle de chaux vive :…
À $298\,\mathrm{K}$ et $1\,\mathrm{bar}$, on étudie la réaction de décomposition thermique du carbonate de calcium pour la production industrielle de chaux vive :
$$\mathrm{CaCO}_3(\mathrm{s}) \rightarrow \mathrm{CaO}(\mathrm{s}) + \mathrm{CO}_2(\mathrm{g})$$- a) Calculer l'enthalpie standard de cette réaction à partir des enthalpies molaires standard de formation : $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{CaCO}_3(\mathrm{s})] = -1206{,}9\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{CaO}(\mathrm{s})] = -635{,}1\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ et $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{CO}_2(\mathrm{g})] = -393{,}5\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$.
- b) Justifier le signe thermodynamique obtenu pour la transformation et indiquer en justifiant quelle est l'enthalpie de formation de tout élément chimique dans son état de référence le plus stable à cette température et à pression standard.
À $298\,\mathrm{K}$ et $1\,\mathrm{bar}$, on brûle complètement dans le dioxygène des échantillons de carbone graphite, de dihydrogène gazeux et d'acétylène gazeux…
À $298\,\mathrm{K}$ et $1\,\mathrm{bar}$, on brûle complètement dans le dioxygène des échantillons de carbone graphite, de dihydrogène gazeux et d'acétylène gazeux (éthyne, $\mathrm{C}_2\mathrm{H}_2$), et on mesure les enthalpies standard de combustion suivantes :
(1) $\mathrm{C}(\text{graphite}) + \mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{CO}_2(\mathrm{g}) \quad \Delta H_\mathrm{c,1}^\circ = -393{,}5\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$
(2) $\mathrm{H}_2(\mathrm{g}) + \frac{1}{2}\,\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{l}) \quad \Delta H_\mathrm{c,2}^\circ = -285{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$
(3) $\mathrm{C}_2\mathrm{H}_2(\mathrm{g}) + \frac{5}{2}\,\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow 2\,\mathrm{CO}_2(\mathrm{g}) + \mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{l}) \quad \Delta H_\mathrm{c,3}^\circ = -1299{,}6\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$
- a) Calculer, en appliquant la loi de Hess, l'enthalpie molaire standard de formation de l'acétylène gazeux à partir de ses éléments dans l'état standard : $2\,\mathrm{C}(\text{graphite}) + \mathrm{H}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{C}_2\mathrm{H}_2(\mathrm{g})$.
- b) Calculer le transfert thermique à pression constante, en indiquant s'il est absorbé ou libéré, lors de la formation de $52{,}0\,\mathrm{g}$ d'acétylène dans ces conditions. (Masse molaire du $\mathrm{C}_2\mathrm{H}_2 = 26{,}0\,\mathrm{g}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$).
La synthèse directe de l'éthanol à partir de ses éléments dans les conditions standard,…
La synthèse directe de l'éthanol à partir de ses éléments dans les conditions standard, $2\,\mathrm{C}(\text{graphite}) + 3\,\mathrm{H}_2(\mathrm{g}) + \frac{1}{2}\,\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{CH}_3\mathrm{CH}_2\mathrm{OH}(\mathrm{l})$, est expérimentalement irréalisable directement avec une pureté quantitative en raison de la formation simultanée de nombreux hydrocarbures et composés oxygénés.
- a) Concevoir un cycle de Hess permettant de calculer $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{CH}_3\mathrm{CH}_2\mathrm{OH}(\mathrm{l})]$ à $298\,\mathrm{K}$ sachant que les enthalpies molaires standard de combustion sont :
$\Delta H_\mathrm{c}^\circ[\mathrm{C}(\text{graphite})] = -393{,}5\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, $\Delta H_\mathrm{c}^\circ[\mathrm{H}_2(\mathrm{g})] = -285{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ et $\Delta H_\mathrm{c}^\circ[\mathrm{CH}_3\mathrm{CH}_2\mathrm{OH}(\mathrm{l})] = -1366{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$.
- b) Déterminer l'enthalpie standard de formation de l'éthanol en phase gazeuse sachant que l'enthalpie de vaporisation de l'éthanol liquide à $298\,\mathrm{K}$ est $\Delta H_\mathrm{vap}^\circ[\mathrm{CH}_3\mathrm{CH}_2\mathrm{OH}(\mathrm{l})] = +42{,}3\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, et interpréter l'effet de la condensation intermoléculaire sur la différence d'enthalpie entre liquide et gaz (ne pas déduire la spontanéité de cette seule donnée).
Énergies de liaison et combustions
Un mélange de dihydrogène et de dichlore explose à la moindre étincelle en formant du chlorure d'hydrogène gazeux. Où l'énergie libérée prend-elle sa source ?
Application : la combustion d'un alcane ou d'un alcool
Une combustion est une réaction d'oxydo-réduction : le combustible (réducteur) réagit avec le dioxygène (oxydant). La combustion complète d'un alcane $\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n+2}$ ou d'un alcool produit du dioxyde de carbone et de l'eau. Pour un alcane : $\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n+2} + \frac{3n+1}{2}\,\mathrm{O_2} \rightarrow n\,\mathrm{CO_2} + (n+1)\,\mathrm{H_2O}$. Pour un alcool : $\mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n+1}\mathrm{OH} + \frac{3n}{2}\,\mathrm{O_2} \rightarrow n\,\mathrm{CO_2} + (n+1)\,\mathrm{H_2O}$. Exemple avec l'éthanol : $\mathrm{C_2H_5OH} + 3\,\mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{CO_2} + 3\,\mathrm{H_2O}$. Pour le propane :
$$\mathrm{C_3H_8(g)} + 5\,\mathrm{O_2(g)} \rightarrow 3\,\mathrm{CO_2(g)} + 4\,\mathrm{H_2O(g)}$$On rompt $2$ liaisons C–C, $8$ liaisons C–H et $5$ liaisons O=O ; on forme $6$ liaisons C=O et $8$ liaisons O–H. Le calcul se fait exactement comme pour le méthane (voir l'exemple ci-dessous) ; le calcul numérique complet pour le propane est laissé en exercice (voir les exercices de fin de section) : $E_\mathrm{r} \approx \sum E(\text{liaisons rompues}) - \sum E(\text{liaisons formées})$. Le pouvoir calorifique massique (en $\mathrm{MJ\cdot kg^{-1}}$) s'obtient en divisant l'énergie libérée par mole par la masse molaire du combustible, puis en convertissant le résultat en $\mathrm{MJ\cdot kg^{-1}}$ (ici $\mathrm{kJ\cdot g^{-1}}$ × $1000$ donne $\mathrm{kJ\cdot kg^{-1}}$, puis on divise par $1000$ pour les $\mathrm{MJ}$).
L'hydrogénation catalytique de l'éthène en phase gazeuse conduit à la formation d'éthane selon l'équation thermochimique suivante à $298\,\mathrm{K}$ :…
L'hydrogénation catalytique de l'éthène en phase gazeuse conduit à la formation d'éthane selon l'équation thermochimique suivante à $298\,\mathrm{K}$ :
$$\mathrm{CH}_2=\mathrm{CH}_2(\mathrm{g}) + \mathrm{H}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{CH}_3-\mathrm{CH}_3(\mathrm{g})$$- a) Estimer la variation d'enthalpie standard de la transformation en utilisant uniquement les valeurs moyennes d'énergie de liaison : $E(\mathrm{C}=\mathrm{C}) = 611{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, $E(\mathrm{C}-\mathrm{C}) = 347{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, $E(\mathrm{C}-\mathrm{H}) = 414{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ et $E(\mathrm{H}-\mathrm{H}) = 436{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$.
- b) Expliquer pourquoi les énergies de liaison moyennes permettent une estimation en phase gazeuse, et non une valeur exacte, et quelles corrections il faudrait ajouter si une espèce était condensée.
On souhaite estimer l'enthalpie standard de formation de l'eau liquide, $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{H}2\mathrm{O}(\mathrm{l})]$, à $298\,\mathrm{K}$ à l'aide des…
On souhaite estimer l'enthalpie standard de formation de l'eau liquide, $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})]$, à $298\,\mathrm{K}$ à l'aide des énergies de liaison moyennes, pour lesquelles on dispose de :
$E(\mathrm{H}-\mathrm{H}) = 436{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, $E(\mathrm{O}=\mathrm{O}) = 498{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, $E(\mathrm{O}-\mathrm{H}) = 463{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, et de l'enthalpie de vaporisation de l'eau à $298\,\mathrm{K}$ : $\Delta H_\mathrm{vap}^\circ[\mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})] = +44{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$.
- a) Calculer l'enthalpie standard de la réaction en phase gazeuse $\mathrm{H}_2(\mathrm{g}) + \frac{1}{2}\,\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})$ à partir des énergies de liaison, et en déduire $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})]$ en tenant compte du changement d'état.
- b) Comparer le résultat avec la valeur expérimentale de référence $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})] = -285{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ et indiquer deux facteurs pour lesquels la méthode des énergies moyennes introduit des écarts.
Pour la combustion du propane gazeux à $298\,\mathrm{K}$ : $$\mathrm{CH}3\mathrm{CH}2\mathrm{CH}3(\mathrm{g}) + 5\,\mathrm{O}2(\mathrm{g}) \rightarrow…
Pour la combustion du propane gazeux à $298\,\mathrm{K}$ :
$$\mathrm{CH}_3\mathrm{CH}_2\mathrm{CH}_3(\mathrm{g}) + 5\,\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow 3\,\mathrm{CO}_2(\mathrm{g}) + 4\,\mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})$$- a) Calculer la variation d'enthalpie standard de cette réaction en utilisant uniquement les données d'énergies de liaison moyennes : $E(\mathrm{C}-\mathrm{C}) = 347{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, $E(\mathrm{C}-\mathrm{H}) = 414{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, $E(\mathrm{O}=\mathrm{O}) = 498{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, $E(\mathrm{C}=\mathrm{O}) = 799{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ (en $\mathrm{CO}_2$) et $E(\mathrm{O}-\mathrm{H}) = 463{,}0\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$.
- b) Calculer l'enthalpie de combustion à partir des enthalpies molaires standard de formation : $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{C}_3\mathrm{H}_8(\mathrm{g})] = -103{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{CO}_2(\mathrm{g})] = -393{,}5\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ et $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})] = -241{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$. Discuter l'origine physique de l'écart quantitatif observé entre les deux méthodes.
Combustion à volume constant ou à pression constante
Une mesure en bombe calorimétrique se fait à volume constant : elle donne $\Delta U$. À pression constante, $\Delta H = \Delta U + \Delta n_\mathrm{gaz}\,R\,T$, où $\Delta n_\mathrm{gaz}$ est la variation de quantité de matière de gaz (produits moins réactifs) pour l'équation écrite, avec $R = 8{,}314\ \mathrm{J\cdot mol^{-1}\cdot K^{-1}}$.
Connaissant l'énergie de combustion d'un combustible et les énergies de formation de $\mathrm{CO_2}$ et $\mathrm{H_2O}$, la relation « produits moins réactifs » permet d'isoler l'énergie de formation du combustible.
Dans un laboratoire de calorimétrie, on évalue l'enthalpie standard de combustion du solvant cyclohexane, $\mathrm{C}6\mathrm{H}{12}(\mathrm{l})$. On obtient, par…
Dans un laboratoire de calorimétrie, on évalue l'enthalpie standard de combustion du solvant cyclohexane, $\mathrm{C}_6\mathrm{H}_{12}(\mathrm{l})$. On obtient, par combustion à volume constant et correction à pression constante, les données de réaction suivantes à $298\,\mathrm{K}$ :
(1) $\mathrm{C}_6\mathrm{H}_{12}(\mathrm{l}) + 9\,\mathrm{O}_2(\mathrm{g}) \rightarrow 6\,\mathrm{CO}_2(\mathrm{g}) + 6\,\mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{l}) \quad \Delta H_1^\circ = -3919{,}6\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$
On dispose en outre des enthalpies standard de formation du $\mathrm{CO}_2(\mathrm{g})$ et de l'eau liquide : $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{CO}_2(\mathrm{g})] = -393{,}5\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ et $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{H}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})] = -285{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$, ainsi que de l'enthalpie de vaporisation du cyclohexane : $\Delta H_\mathrm{vap}^\circ[\mathrm{C}_6\mathrm{H}_{12}(\mathrm{l})] = +33{,}1\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$.
- a) Déterminer l'enthalpie standard de formation du cyclohexane liquide, $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{C}_6\mathrm{H}_{12}(\mathrm{l})]$, et du cyclohexane gazeux, $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{C}_6\mathrm{H}_{12}(\mathrm{g})]$.
- b) Si la combustion expérimentale dans le calorimètre avait été incomplète, avec formation d'un $1{,}0\,\%$ molaire de $\mathrm{CO}(\mathrm{g})$ (dont $\Delta H_\mathrm{f}^\circ[\mathrm{CO}(\mathrm{g})] = -110{,}5\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$) au lieu de $\mathrm{CO}_2(\mathrm{g})$, justifier si le transfert thermique mesuré expérimentalement serait en excès ou en défaut par rapport à la valeur stœchiométrique théorique.
Retour au début : pour l'acétylène, $2\,\mathrm{C(graphite)} + \mathrm{H_2(g)} \rightarrow \mathrm{C_2H_2(g)}$ est impossible à réaliser directement. Avec les combustions du graphite ($-393{,}5$), du dihydrogène ($-285{,}8$) et de l'acétylène ($-1\,299{,}5\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$) : $\Delta H_\mathrm{f}^\circ = 2 \times (-393{,}5) + (-285{,}8) - (-1\,299{,}5) = +226{,}7\ \mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}$.