Chimie 5ème

Pierre PIRSON, Alain BRIBOSIA, Claude MARTIN, Philippe SNAUWAERT, André TADINO, René VAN ELSUWE

Sciences générales

Des manuels clairs et attrayants

D une toute nouvelleiconographie

D des chapitres structurés de manière particulièrement

claire et composés de mises en situations,

d’appropriations, d’exercices et de documentsqui étoffent la théorie par un

lien avec la vie quotidienne

D de nombreux exercicespour que l’élève puisse tester ses connaissances et exercer

ses compétences

D une mise en pages dynamique et en couleur

Ce manuel, conforme aux programmes de Sciences, s’adresseaux élèves du cours de chimie de 5e année en Sciences générales(6 périodes de sciences par semaine). Les objectifs de ce manuel sont d’amener les élèves à :

D se réapproprier des acquis de basedu deuxième degré,

D acquérir et structurer des savoirs,D exercer et maîtriser des savoir-faire,D développer des compétences en résolvant

des tâches d’un niveau équivalent à celui des outils d’évaluation et regroupées en quatre familles.

Grâce à sa nouvelle mise en page en couleur, le Chimie 5e

donnera à l’élève le goût et l’envie d’appréhender cette discipline. Il leur fournira les bases solides, tant théoriques qu’expérimentales, telles que le classement des réactions chimiques, l’équilibre chimique ou encore le principe de Le Chatelier, couvrant ainsi l’intégralité du programme de chimie vu en 5e année.

Plaisir et désir d’apprendre la chimie : tel est l’un des objectifsde ce manuel ! Cet apprentissage permettra aux jeunes de décoder et de résoudre des situations auxquelles ils sontconfrontés. Ils se prépareront ainsi à trouver leur place de citoyens dans le monde technoscientifique qui est le nôtre.

www.deboeck.com

978-2-8041-6359-4

CHI52

Chimie5e_finale:Mise en page 1 17/03/11 09:08 Page1

3

Avant-proposCe manuel s’adresse aux élèves de 5e qui suivent 6 périodes de sciences par semaine (Sciences générales).

Les objectifs de ce manuel, qui s’inscrit résolument dans la perspective des nouveaux programmes de Scien-ces, sont d’amener les élèves à :

• se réapproprier des acquis de base du deuxième degré ;

• acquérir et structurer des savoirs ;

• exercer et maîtriser des savoir-faire ;

•  développer des compétences en résolvant des tâches d’un niveau équivalent à celui des outils d’évalua-tion1 et regroupées en quatre familles.

Ces objectifs seront atteints à travers les contenus du nouveau programme qui comprend deux volets :

•  étude du comportement des réactifs en solution aqueuse et des différents aspects thermodynamiques et cinétiques de toute réaction chimique (chap. 1 à 10) ;

•  utilisation des acquis dans l’étude de trois types de réaction en chimie organique (chap. 11 à 13).

Les réactions de combustion, d’addition et de polymérisation sont abordées de façon systématique :

– profil des réactifs ;

– profil (modèle) de la réaction ;

– gestion d’une application concrète de ce type de réaction ;

– utilisation des produits et gestion des déchets.

Le chapitre 10 est facultatif, ainsi que les parties suivantes :

•  appropriation du chapitre 12 : « Gestion d’une réaction d’addition » et « Utilisation de produits lipidi-ques » ;

• appropriation du chapitre 13 : « Gestion de la réaction de formation du polyéthylène ».

L’apprentissage à travers ce manuel permettra aux jeunes de décoder et de résoudre des situations auxquelles ils sont confrontés. Ils se prépareront ainsi à trouver leur place de citoyens dans le monde technoscientifique qui est le nôtre.

Tout en restant fidèles à la démarche pédagogique de nos manuels, nous avons voulu cette nouvelle édition encore plus attractive que les précédentes : nouvelle présentation tant sur le fond que sur la forme, propo-sition de tâches, réponses à des exercices et problèmes quantitatifs, photos en couleur, nombreuses illustra-tions…

Ce manuel devrait, dès lors, répondre à l’intérêt des élèves pour lesquels il est conçu ainsi qu’aux attentes de nombreux collègues.

Nous remercions chaleureusement nos familles pour leur soutien et nos collègues qui ont accepté de prendre du temps pour nous relire et nous faire part de leurs conseils.

Enfin, nous remercions d’avance celles et ceux qui, par leurs avis et suggestions, voudront bien nous aider à améliorer notre travail.

Les auteurs

1 Outils d’évaluation de la Commission des Outils d’Évaluation : www.enseignement.be

Avant-propos 3

Comment utiliser ce manuel ?4

Ce manuel est composé de 13 chapitres qui proposent, chacun, une séquence d’apprentissage structurée en cinq points.

113Réaction de combustion des alcanes

Comme le montre le graphique ci-dessous, une part très importante de la production mon-diale d’énergie est encore issue de la combustion de gaz naturel, de charbon ou de pétrole (combustibles fossiles). Les valeurs sont données en exajoules, c’est-à-dire 1018 J.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Éner

gie

en E

J

1970 1980 1990 2000 2008

NUCLÉAIREHYDRAULIQUECHARBONGAZPÉTROLE

Consommation d’énergie dans le monde1

Parmi ces combustibles, nous nous intéresserons plus particulièrement aux alcanes, hydro-carbures saturés de formule générale CnH2n+2.

La combustion des alcanes en présence de dioxygène est une source d’énergie.

Quels sont les produits de cette combustion ?

Pour répondre à cette question, nous étudierons la combustion du gaz alimentant les becs bunsen du laboratoire.

Mise en situation

Mettre en évidence la formation des produits issus de la combustion du gaz de laboratoire

Pour ce faire :• allumer un bunsen et régler l’arrivée de gaz et d’air de manière à ob-

tenir une petite flamme bleue ;

• au-dessus de la flamme, tenir un berlin de 250 mL ;

• observer ;

• en tenant au-dessus de la flamme bleue un autre berlin préalablement humidifié avec de l’eau de chaux, observer les gouttelettes d’eau de chaux ;

• régler le bunsen pour obtenir une flamme jaune éclairante et tenir au-dessus de celle-ci, avec une pince en bois, un creuset en porcelaine ;

• observer.

1 BP Statistical Review of World Energyof World Energyof , juin 2009.

Chapitre 326

AppropriationAp

Réaction exothermique et réaction endothermique

Lors de la réaction de dissociation du NaOH dans l’eau et de la réaction de neutralisation du NaOH par HCl, l’élévation de température montre que ces phénomènes s’accompagnent d’un dégagementd’énergie thermique. Ces réactions sont dites exo-thermiques (du grec exô, « au-dehors », et ther-mos, « chaud »).

Lors de la réaction de dissociation du KNO3 dansl’eau et de la réaction du NaHCO3 avec le CH3COOH, l’abaissement de température montre que ces phé-nomènes s’accompagnent d’une absorption d’éner-gie thermique. Ces réactions sont dites endother-miques (du grec endon, « dedans »).

Principe de conservation de l’énergie appliqué aux réactions chimiques

Dans les expériences précédentes, nous considé-rons comme système isolé la ou les substance(s) chimique(s) en transformation, la solution et les parois du récipient.Le principe de conservation de l’énergie implique que si une partie du système gagne (ou perd) del’énergie, l’autre partie en perd (ou gagne) une quantité équivalente. Appliquons ce principe aux réactions étudiées ex-périmentalement.

Cas des réactions exothermiques

Dans le cas de la dissociation exothermique du NaOH(s) dans l’eau, il nous faut définir faut définir f le systèmeisolé dans lequel nous distinguons :• la solution et les parois du récipient ;

• le réactif NaOH(s) qui se transforme en produits :

H2ONaOH (s) →2→2 Na+ (aq) + OH–

(aq)

D’après le principe de conservation de l’énergie,nous pouvons affirmer que, lors de la dissociation du NaOH :

• la solution et les parois du récipient reçoivent del’énergie E ;E ;E

•

Une réaction exothermique est une réac-tion qui libère de l’énergie thermique.

Une réaction endothermique est une réac-tion qui absorbe de l’énergie thermique.

L’énergie d’un système isolé est constante.

Comment utiliser ce manuel ?

Porteuse de sens, la mise en situation contient un question-nement, dont la réponse sera, généralement, amorcée par une démarche expérimentale ou par la lecture d’un texte.

En Chimie 2 périodes/semaine

• les expérimentations sont effectuées par le professeur lui-

même : elles sont signalées par le logo ;

•  les laboratoires signalés par le logo sont réalisés par

les élèves en tant que tâches FT2 (Famille de tâches 2).

Le programme de cette option demande un minimum de 3 séances de 2 périodes de laboratoire de chimie par année.

C’est, notamment, à travers la réalisation de ces laboratoires que les élèves acquièrent une démarche scientifique expéri-mentale.

Chaque séance de laboratoire donne lieu à la rédaction d’un rapport de laboratoire dont un canevas est proposé en annexe du manuel.

En s’appuyant sur les résultats de l’expérimentation, du laboratoire ou de la recherche documentaire, les élèves découvrent de nouvelles notions dont la définition est

signalée par le logo .

Définies, structurées, développées, ces notions débou-chent, à leur tour, sur d’autres nouvelles notions.

Comment utiliser ce manuel ? 5

Comment utiliser ce manuel ?


FT3

12 Depuis 2002, toute voiture neuve ven-due en Belgique doit être accompagnée d’une étiquette informant le consom-mateur sur la consommation de car-burant et sur l’émission de dioxyde de carbone.

En supposant que la voiture dont les caracté-ristiques sont consignées ci-dessus consomme une essence constituée d’octane pur (masse volumique 0,70 kg . L–1), calculer la masse de dioxyde de carbone rejetée dans l’atmosphère par km parcouru.Comparer le résultat du calcul à la valeur indi-quée sur l’étiquette.

FT3

13 Une bombe calorimétrique est un calori-mètre permettant de mesurer les éléva-tions de température lors de réactions de combustion. Elle est constituée :– d’une enceinte fermée sous atmosphère de

dioxygène où se trouve le combustible ;– d’une enceinte extérieure remplie d’eau et

pourvue d’un thermomètre.La combustion est initiée par un courant élec-trique.

Filsd’allumage

Entrée d’O2(g)

H2O(l)

O2(g)

Support de l’échantillonCombustible

Récipient en acierinoxydable, à paroiépaisse, muni d’uncouvercle amovible

La valeur en eau d’une bombe calorimétrique est l’énergie absorbée par tout ce que contient le calorimètre (thermomètre, parois, eau…) et caractérise cette bombe. Elle s’exprime en kJ . °C– 1.

Ainsi l’énergie absorbée par le calorimètre et, par conséquent, produite par la combustion d’une masse m d’un alcane, peut se calculer en utilisant la relation :

Q = valeur en eau . ∆ t°.

Dans une bombe calorimétrique dont la valeur en eau vaut 32,9 kJ . °C–1, on brûle 10 g de paraffine C25H52 et on note une élévation de température de 12,5°C.

Calculer le pouvoir thermique de la paraffine.

Exercices, problèmes et tâchesExe

Ressources à intégrerRes

À la fin de ce chapitre, être capable de :

SAVOIRS

• définir réaction chimique rapide, lente ou très lente ;

• définir vitesse moyenne de formation d’un pro-duit et écrire l’expression mathématique permet-tant de la calculer ;

• citer quelques facteurs cinétiques ;

SAVOIR-FAIRE

• calculer la vitesse moyenne de formation d’un produit ;

• expliquer le rôle d’un catalyseur.

• expliquer l’influence de la température sur la vitesse de réaction ;

• expliquer l’influence de la concentration sur la vitesse de réaction ;

Chapitre 778

Un équilibre chimique menacé ou l’acidification des océans

Les ptéropodes, petits escargots marins, sont des animaux robustes qui vivent dans les mers les plus froides du monde. Ils constituent un maillon impor-tant dans la chaîne alimentaire des mers polaires : ils fournissent à certaines périodes de l’année 80 % de l’alimentation des saumons dans le Pacifique Nord.Depuis plus de 20 ans, des scientifiques observent ces escargots : les résultats obtenus sont inquiétants car ces organismes marins commencent à disparaître. En outre, des relevés de mesures d’acidité dans ces mêmes eaux montrent une augmentation de l’acidité du milieu dans lequel vivent ces organismes.Pour mettre en relation ces observations et compren-dre le phénomène, des ptéropodes ont été capturés et placés dans des aquariums.

Pour en savoir plus ...Pou

Chaque chapitre se termine par un document qui étoffe le sujet traité. Ce document culturel est lié à l’actualité et aux domaines scientifique, historique, technologique, éthique, socio-économique…

En fin de chapitre, une liste de savoirs et de savoir-faire aide les élèves dans leur travail d’étude.

Les exercices et les problèmes, nombreux et diversifiés, permettent aux élèves de consolider leurs savoirs et savoir-faire.Quant aux tâches, inscrites dans l’une des familles de tâches ( FT

1 , FT2 , FT

3 , ou FT4 ),

elles permettent d’évaluer de façon formative ou certificative l’ac-quisition de compétences.

Les familles de tâches sont décrites à l’Annexe 1.

175Table des matières

Table des matièresAvant-propos ......................................................................................................................3

Comment utiliser ce manuel ? .............................................................................................4

Chapitre 1 Classement et modèles de solutions aqueuses ..................................................6

Pour en savoir plus … La conductivité des solutions aqueuses :

mesure et danger ........................................................12

Chapitre 2 Équation de dissociation des électrolytes et concentration en ions ...................13

Pour en savoir plus … Eaux de distribution, eaux de source, eaux minérales

naturelles : que choisir… ?…….. ..................................20

Chapitre 3 Réactions chimiques et énergie ....................................................................23

Pour en savoir plus … De l’énergie pour notre corps ........................................37

Chapitre 4 Facteurs d’évolution spontanée des réactions chimiques ..................................38

Pour en savoir plus … Une réaction spontanée au quotidien :

la prise du ciment .......................................................45

Chapitre 5 Classement des réactions en réactions complètes, incomplètes et impossibles ....47

Pour en savoir plus … Impossible n’est pas chimique… ou la synthèse

de la soude par Ernest Solvay .......................................55

Chapitre 6 Équilibre chimique, approche qualitative .......................................................57

Pour en savoir plus … Simulation expérimentale

d’un état d’équilibre dynamique ....................................65

Chapitre 7 Équilibre chimique, approche quantitative .....................................................66

Pour en savoir plus … Un équilibre chimique menacé ou l’acidification

des océans .................................................................78

Chapitre 8 Déplacement de l’équilibre chimique. Principe de Le Chatelier ..........................80

Pour en savoir plus … Hémoglobine et dioxygène, un couple parfait ..................93

Chapitre 9 Vitesse de réaction .....................................................................................95

Pour en savoir plus … Les automobiles, des purificateurs d’air ? ..................... 104

Chapitre 10 Le principe de Le Chatelier au service de l’industrie chimique ........................ 105

Chapitre 11 Réaction de combustion des alcanes ........................................................... 112

Pour en savoir plus … Le raffinage du pétrole .............................................. 123 Chapitre 12 Réaction d’addition des alcènes .................................................................. 125 Pour en savoir plus … Le régime crétois ...................................................... 133 Chapitre 13 Réactions de polymérisation ...................................................................... 134 Pour en savoir plus … Les plastiques BIO ..................................................... 149

176 Table des matières

Annexes Annexe 1 Description des familles de tâches (FT) ....................................................... 152 Annexe 2 Préparation de solutions ........................................................................... 153 Annexe 3 Polarité d’une molécule d’eau ..................................................................... 155 Annexe 4 Tables de données .................................................................................... 157 Annexe 5 Règles pratiques pour la recherche de la charge d’un ion ............................... 159 Annexe 6 Nomenclature des alcanes .......................................................................... 161 Annexe 7 Canevas de rapport de laboratoire ............................................................... 164 Annexe 8 Nouveaux pictogrammes de danger ............................................................. 165 Annexe 9 Liste des réactifs utilisés lors des expériences décrites dans ce manuel ........... 168

Index ............................................................................................................................. 169

Chapitre 3

Les réactions de combustion sont bien connues pour produire de la chaleur. Certaines réactions,

moins connues cependant, produisent aussi du froid.

Les valeurs des énergies mises en jeu lors de ces réactions peuvent

être déterminées par calorimétrie. Ces valeurs permettent de faire

des choix énergétiques judicieux.

Réactions chimiques et énergie

Chapitre 324

La chimie est la science des transformations de la matière.À chaque instant de notre vie, ces transformations se manifestent, même si nous n’y prêtons pas particulièrement attention. C’est le cas lorsque nous cuisinons, lorsque nous utilisons de l’essence pour nous déplacer en voiture ou en moto, lorsque nous digérons des aliments, lorsque nous contractons nos muscles...Toutes ces transformations ont un aspect énergétique.La thermodynamique est la science qui étudie, entre autres, les échanges d’énergie qui se produisent dans les réactions chimiques. Dans le cadre de ce cours, nous envisagerons l’aspect énergétique des réactions en répondant aux questions suivantes :

• comment classer les réactions chimiques du point de vue énergétique ?• d’où provient l’énergie mise en jeu au cours d’une réaction chimique ?• comment mesurer cette énergie ?

À cette fin, nous réaliserons le laboratoire suivant.

Mise en situationMise en situation

MATÉRIEL– gobelet en frigolite d’environ 200 mL– berlin de 1 L– thermomètre de précision ou sonde de

température au 1/10°C– cylindre gradué de 100 mL– balance au 1/10 g

RÉACTIFS– NaOH(s)

– KNO3 (s)

– NaOH(aq) environ 1M– HCl(aq) environ 1M– NaHCO3 (s) (hydrogénocarbonate de sodium)– Vinaigre commercial (solution d’acide acétique

CH3COOH)– Eau déminéralisée

Classer des réactions chimiques du point de vue énergétique.FT2

a Afin de réaliser ce laboratoire, rassembler le matériel et les réactifs suivants :

b Identifier les pictogrammes de danger sur les flacons de réactifs.

c Appliquer les modes opératoires suivants.

25Réactions chimiques et énergie

Expérience n° 1 : dissociation de l’hydroxyde de sodium dans l’eau

– Verser 100 mL d’eau dans le récipient en frigo-lite ;

– relever la température initiale tinitiale ;

Frigolite ouplastique

Thermomètreau 1/10° C

Eau

Schéma d’un calorimètre simplifié

– peser au dixième de gramme près environ 2,0 g de NaOH ;

– verser le NaOH sans tarder dans le récipient ;– agiter doucement pour assurer la dissociation

du NaOH ;– relever la température la plus élevée : tfinale ;– éliminer la solution et rincer le récipient à l’eau

de distribution.

Expérience n° 2 : dissociation du nitrate de potassium dans l’eau

Utiliser le même mode opératoire que précédem-ment mais ici :– dissoudre environ 5,0 g de KNO3 pesé au dixiè-

me de gramme près ;– relever la température la plus basse : tfinale.

Expérience n° 3 : neutralisation de l’hydroxyde de sodium par l’acide chlorhydrique

– Verser 20 mL de NaOH 1M dans le récipient en frigolite ;

– relever la température initiale tinitiale ;– y verser en une fois 20 mL de HCl 1M ;– relever la température la plus élevée : tfinale.

Expérience n° 4 : réaction de l’hydrogénocarbonate de sodium avec le vinaigre

– Verser 100 mL de vinaigre dans le berlin de 1 L ;

– relever la température initiale tinitiale ;– peser au dixième de gramme près environ 5,0 g

de NaHCO3 ;– verser le solide dans le vinaigre ;– noter la température finale tfinale.

d Rédiger un rapport de laboratoire

– Pour les quatre expériences, consigner les valeurs des masses utilisées ainsi que les résultats expéri-mentaux en vue de calculs ultérieurs ;

– écrire les équations de dissociation du NaOH et du KNO3 dans l’eau ;– classer les quatre réactions selon les variations de température.

Chapitre 326

AppropriationAppropriation

Réaction exothermique et réaction endothermique

Lors de la réaction de dissociation du NaOH dans l’eau et de la réaction de neutralisation du NaOH par HCl, l’élévation de température montre que ces phénomènes s’accompagnent d’un dégagement d’énergie thermique. Ces réactions sont dites exo-thermiques (du grec exô, « au-dehors », et ther-mos, « chaud »).

Lors de la réaction de dissociation du KNO3 dans l’eau et de la réaction du NaHCO3 avec le CH3COOH, l’abaissement de température montre que ces phé-nomènes s’accompagnent d’une absorption d’éner-gie thermique. Ces réactions sont dites endother-miques (du grec endon, « dedans »).

Principe de conservation de l’énergie appliqué aux réactions chimiques

Il nous faut maintenant interpréter les observations réalisées au cours des expériences précédentes.Pour cela nous allons élaborer un modèle illustrant les échanges d’énergie lors des réactions chimiques en nous basant sur le principe de conservation de l’énergie.Ce principe s’énonce comme suit :

Un système isolé est une région de l’espace qui ne peut échanger ni matière ni énergie avec l’ex-térieur.

Dans les expériences précédentes, nous considé-rons comme système isolé la ou les substance(s) chimique(s) en transformation, la solution et les parois du récipient.Le principe de conservation de l’énergie implique que si une partie du système gagne (ou perd) de l’énergie, l’autre partie en perd (ou gagne) une quantité équivalente. Appliquons ce principe aux réactions étudiées ex-périmentalement.


Dans le cas de la dissociation exothermique du NaOH(s) dans l’eau, il nous faut définir le système isolé dans lequel nous distinguons :• la solution et les parois du récipient ;

• le réactif NaOH(s) qui se transforme en produits :

H2ONaOH(s) →2→2 Na+(aq) + OH–

(aq)

D’après le principe de conservation de l’énergie, nous pouvons affirmer que, lors de la dissociation du NaOH :

• la solution et les parois du récipient reçoivent de l’énergie E ;

• cette énergie E provient uniquement et en tota-lité du NaOH qui se transforme.

Dès lors, on écrit :

H2ONaOH(s) →2→2 Na+(aq) + OH–

(aq) + E

Une réaction exothermique est une réac-tion qui libère de l’énergie thermique.

Une réaction endothermique est une réac-tion qui absorbe de l’énergie thermique.

L’énergie d’un système isolé est constante.


Le schéma ci-dessous illustre l’échange d’énergie lors de la dissociation du NaOH(s) dans l’eau.

SOLUTION ET PAROIS

Isolant

E

NaOH(s) →Na+

(aq) + OH–(aq)

De même dans le cas de la neutralisation exother-mique de NaOH par HCl, nous pouvons écrire l’équa-tion :

NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) + E

De façon générale, une réaction exothermique se traduit par l’équation :

R → P + E

dans laquelle R signifie le(s) réactif(s), P le(s) produit(s) et E l’énergie.

Cas des réactions endothermiques

Dans le cas de la dissociation endothermique du KNO3 (s) dans l’eau, il nous faut définir le système isolé dans lequel nous distinguons :• la solution et les parois du récipient ;• le réactif KNO3 (s) qui se transforme en produit : H2OKNO3 (s) → K+

(aq) + NO3–(aq)

D’après le principe de conservation de l’énergie, nous pouvons affirmer que, lors de la dissociation du KNO3 (s) :• la solution et les parois du récipient perdent de

l’énergie ;• cette énergie est absorbée uniquement et en to-

talité par le KNO3 qui se transforme.Dès lors, on écrit :

H2OKNO3 (s) + E → K+ (aq) + NO3

–(aq)

Le schéma ci-dessous illustre l’échange d’énergie lors de la dissociation du KNO3 (s) dans l’eau.

SOLUTION ET PAROIS

Isolant

E

KNO3(s) →K+

(aq) + NO3–(aq)

Compresse réfrigérante à base de nitrate d’ammonium

De même lors de la réaction endothermique du NaHCO3 avec CH3COOH, nous pouvons écrire l’équa-tion :

NaHCO3(s) + CH3COOH(aq) + E → CH3COONa(aq) + CO2(g) + H2O(l)

De façon générale, une réaction endothermique se traduit par l’équation :

R + E → P

Chapitre 328

Enthalpie et variation d’enthalpie


Si un réactif (par exemple NaOH solide), en se trans-formant, libère de l’énergie, c’est qu’il possédait un contenu énergétique.Ce contenu énergétique est appelé enthalpie du réactif et est symbolisé par HR.Il est aussi possible de montrer que les ions Na+ et les ions OH–, produits de la réaction, possèdent encore un certain contenu énergétique. Ce contenu énergétique est appelé enthalpie des produits et est symbolisé par HP.Puisque c’est le réactif qui perd de l’énergie, son contenu énergétique était supérieur au contenu énergétique des produits :

HR > HP

Il y a donc eu variation d’enthalpie ∆H au cours de la réaction.Par convention :

∆H = HP – HR

∆H est appelé variation d’enthalpie de réaction.Dans le cas des réactions exothermiques, ∆H est par conséquent négatif.

∆H < 0RÉACTION EXOTHERMIQUE

Réaction exothermique

ENTHALPIE

Réactif : NaOH(s)

∆ H < 0

HP

HR

Produits : Na+(aq) + OH–

(aq)

Le schéma ci-avant appelé diagramme d’enthalpie visualise la variation d’enthalpie entre l’enthalpie des produits Na+

(aq) et OH–(aq) et l’enthalpie du réac-

tif NaOH(s).Dans ce schéma :• l’axe vertical est une échelle d’enthalpie (non gra-

duée ici) ;• les réactifs, état initial, et les produits, état fi-

nal, sont indiqués sur deux paliers, placés à deux hauteurs différentes puisque l’enthalpie des pro-duits est inférieure à l’enthalpie des réactifs ;

• une flèche verticale vers le bas symbolise l’échange d’énergie au cours de la réaction. Dès à présent, nous insistons sur le fait que dans un diagramme d’enthalpie, la flèche est toujours dirigée dans le sens HR → HP correspondant au sens de la réac-tion qui a toujours lieu dans le sens R → P.

Cas des réactions endothermiques

Puisque, lors d’une réaction endothermique,R + E → P

alors : HP > HR

Et comme ∆H = HP – HR, ∆H est donc positif.

∆H > 0RÉACTION ENDOTHERMIQUE

Le schéma ci-dessous visualise la variation d’en-thalpie entre l’enthalpie des produits K+

(aq) et NO –3(aq) et l’enthalpie du réactif KNO3(s).

Produits : K+(aq) + NO3(aq)

–

ENTHALPIE

Réactif : KNO3(s)

∆ H > 0

HR

HP

Réaction endothermique


Détermination de l’énergie thermique d’une réaction et sa relation avec ∆H

La calorimétrie et l’énergie thermique Q

La détermination de la valeur de l’énergie thermi-que Q dégagée ou absorbée par une réaction s’opère en utilisant une technique appelée calorimétrie.

Il a été montré que la chaleur massique de l’eau ceau, c’est-à-dire l’énergie à fournir à un kilogramme d’eau pour élever sa température d’un degré centi-grade, est de :

ceau = 4,18 kJ .kg–1 . °C–1

Cette valeur est approximativement la même pour les solutions diluées. Nous pouvons donc écrire :

csolution = 4,18 kJ .kg–1 . °C–1

où csolution s’appelle chaleur massique de la solution.

Si la température d’une solution de masse m kilo-grammes varie de ∆t degrés Celsius (t degrés Celsius (t ∆t = t = t tf – f – f titit ), il suffit d’appliquer la formule suivante pour cal-culer la quantité d’énergie thermique Q mise en œuvre :

Qsolution = csolution . msolution . ∆t

Les valeurs de Q sont exprimées en kJ ou MJ(1 MJ = 103 kJ).Notons que cette relation ne prend pas en compte la faible énergie qui serait absorbée ou dégagée par les parois du récipient en frigolite.

Relation entre Qsolution et ∆H

Au cours d’une expérience de calorimétrie, deux cas peuvent se présenter.• La température finale de la solution est supérieu-

re à la température initiale : ∆t > 0.t > 0.t La solution reçoit de l’énergie thermique Qsolution

et, en accord avec le principe de conservation de

l’énergie, la matière en transformation perd la même quantité d’enthalpie H.

La réaction est exothermique avec ∆H∆H∆ négatif.H négatif.H

•  La température finale de la solution est inférieure à la température initiale : ∆t < 0.t < 0.t

La solution perd de l’énergie thermique Qsolution

et, en accord avec le principe de conservation de l’énergie, la matière en transformation gagne la même quantité d’enthalpie H.

La réaction est endothermique avec ∆H∆H∆ positif.H positif.H

En résumé :

∆t > 0Qsolution > 0

Réaction exothermique∆H < 0

∆t < 0Qsolution < 0

Réaction endothermique∆H > 0

Du résumé précédent, il ressort que :

∆H = – Qsolution

Détermination de ∆H des réactions réalisées lors du laboratoire

À partir des valeurs consignées dans le rapport de laboratoire pour les quatre réactions réalisées :

– calculer Qsolution ;

– en déduire la valeur de ∆H∆H∆ .

Par convention, les valeurs de ∆H∆H∆ sont établies pour H sont établies pour Hune mole de réactif employé :

– calculer le nombre de moles n de réactif utilisé lors de chaque expérience ;

– calculer ∆H∆H∆ molaireHmolaireH de chaque réaction :

∆H∆H∆ molaireHmolaireH = ∆Hn

La calorimétrie est la technique qui a pour objet la mesure des quantités d’éner-gie thermique Q mises en jeu au cours d’un phénomène.

Chapitre 330

Le tableau suivant donne les valeurs de ∆H∆H∆ molaireHmolaireH des réactions effectuées dans des conditions expérimentales idéales.

Exp. n° Réaction ∆H∆H∆ molaireHmolaireH (kJ .mol–1)

1H2ONaOH(s) →2→2 Na+

(aq) + OH–(aq)

–42

2H2OKNO3(s) →2→2 K+

(aq) + NO3–(aq)

+35

3 NaOH(aq)+ HCl(aq) → NaCl(aq)+ H2O(l) –58

4 NaHCO3(s) + CH3COOH(aq) → CH3COONa(aq) + CO2(g) + H2O(l) +26

Ces valeurs de ∆H∆H∆ molaireHmolaireH reprises dans le tableau permettent de comparer les effets thermiques des différentes réactions.

Exercices, problèmes et tâches


a. Énergie et ∆H∆H∆1 À la lecture des équations des réactions

suivantes préciser si les réactions sui-vantes sont exothermiques ou endo-thermiques :

a) Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g)

∆H∆H∆ < OH < OH

b) N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) + 92 kJc) C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆H∆H∆ < 0H < 0H

d) CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) ∆H∆H∆ > 0H > 0H

e) N2(g) + O2(g) → 2NO(g) ∆H∆H∆ = +180 kJf) CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)

∆H∆H∆ = –891 kJg) N2(g) + 2O2(g) + 66kJ → 2NO2(g)

h) H2O(l) → H2(g) + 1/2O2(g) ∆H∆H∆ > 0H > 0H

2 Soit les réactions suivantes :

a) dissociation endothermique du NaNO3(s)

dans l’eau ;b) dissociation exothermique du KOH dans

l’eau ;c) combustion du soufre.

Pour chacune des réactions :– écrire l’équation ;– placer adéquatement le symbole E pour si-

gnifier que le phénomène est exothermique ou endothermique ;

– donner le signe de ∆H∆H∆ .

3 Certaines indications dans les deux dia-grammes d’enthalpie ci-après sont faus-ses.

Rectifier les erreurs.

a)

Produits

ENTHALPIE

Réactifs

∆H < 0H < 0H

HR

HP

b)

Produits

ENTHALPIE

Réactifs

∆H > 0H > 0H

HP

HR

4 Soit le diagramme d’enthalpie incom-plet :

N2O4(g)

ENTHALPIE

NO2(g)

HR

HP

a) Compléter le diagramme.

b) Écrire l’équation de la réaction.

c) Dire si la réaction est exothermique ou en-dothermique.

5 Lorsqu’on dissout du CuSO4 anhydre dans l’eau, la température de la solution s’élève.

a) Écrire l’équation de la réaction de dissocia-tion dans l’eau.

b) À partir du principe de conservation de l’énergie, citer quelle(s) partie(s) du sys-tème gagne(nt) de l’énergie et quelle(s) partie(s) en perd(ent).

c) Dessiner un schéma illustrant l’échange d’énergie entre les différentes parties du système.

d) Tracer le diagramme d’enthalpie.

Exercices, problèmes et tâchesExercices, problèmes et tâches

Chapitre 432 Chapitre 332

FT1

6 Établir un diagramme d’enthalpie corres-pondant à la réaction de l’hydrogénocar-bonate de sodium avec l’acide acétique :

NaHCO3(s) + CH3COOH(aq) + 26 kJ  → CH3COONa(aq) + CO2(g) + H2O(l)

b. Détermination de la valeur de ∆H par calorimétrie

1 Dans un récipient en frigolite, on verse 200 g d’eau pure à 20,0°C et ensuite 4,30 g de sulfate de cuivre(II) anhydre (CuSO4) à la même température.

La température finale de la solution est alors de 22,4°C.

a) Calculer Q de dissociation du CuSO4 (csolution = 4,18 kJ . kg–1 . °C–1).

b) Calculer ∆Hmolaire de réaction. R : Q = 2,05 kJ ∆Hmolaire = – 76,1 kJ . mol–1

2 Dans un récipient en frigolite, on verse 100 g d’eau pure à 19,5°C et ensuite 8,0 g de nitrate d’ammonium (NH4NO3) à la même température.

La température finale de la solution est alors de 13,7°C.

a) Calculer Q de dissociation du NH4NO3 (csolution = 4,18 kJ . kg–1 . °C–1).

b) Calculer ∆Hmolaire de réaction.R : Q = 2,6 kJ ∆Hmolaire = 26 kJ . mol–1

3 Dans un récipient en frigolite, on verse 200 mL de NaOH 0,50M à la températu-re de 21,0°C et ensuite 200 mL de HCl 0,50M à la même température.

Par suite de la réaction entre NaOH et HCl se-lon l’équation :

NaOH(aq) + HCl(aq) → NaCl(aq) + H2O(l),la température de la solution s’élève et atteint 24,5°C.

a) Calculer Q de la réaction de neutralisation de la base par l’acide (csolution = 4,18 kJ . kg–1 . °C–1).

b) Calculer ∆Hmolaire de la réaction.

R : Q = 5,8 kJ

∆Hmolaire = – 58 kJ . mol–1

4 La variation d’enthalpie ∆H de la réac-tion de dissociation du CuCl2(s) dans l’eau est : ∆Hmolaire = – 52,0 kJ . mol–1.

a) Écrire l’équation de dissociation dans l’eau avec le symbole de l’énergie.

b) Calculer la chaleur de la réaction Q lors-que 3,00 g de CuCl2(s) sont dissociés dans 100 mL d’eau.

c) Calculer l’augmentation de température dans le calorimètre.

R : Q = 1,16 kJ

∆t = 2,69°C

5 L’acide sulfurique se dissout en toutes proportions dans l’eau et la réaction est très exothermique: ∆H = – 84 kJ . mol–1.

Un étudiant dispose d’acide sulfurique concen-tré de masse volumique 1,83 kg . L–1.

Il désire préparer 100 mL d’une solution d’aci-de sulfurique à 5 % en volume.

a) Calculer les volumes d’acide et d’eau à uti-liser pour préparer cette solution.

b) Écrire la réaction de dissociation de l’acide sulfurique dans l’eau.

c) Calculer l’élévation de température de la solution obtenue en négligeant les pertes thermiques et l’énergie thermique absorbée par le récipient.

(csolution = 4,18 kJ . kg–1 . °C–1).

d) Pour préparer une solution d’acide sulfuri-que, il faut toujours verser l’acide dans un grand volume d’eau mais jamais l’inverse. Justifier en quelques mots cette façon de faire.

R : a) VH2 O = 95,0 mL ;

Vacide = 5,0 mL ;

c) ∆t = 18,8°C

32


6 La réaction entre l’acide nitrique et l’hy-droxyde de potassium est exothermique et, dans le cas de solutions suffisam-ment concentrées, la mesure de la tem-pérature du milieu réactionnel permet de suivre l’évolution de la réaction.

Un échantillon de 25,0 mL de la solution aqueuse d’hydroxyde de potassium de concen-tration inconnue est versé dans un récipient isolant en polystyrène. La solution d’acide ni-trique 2,0 M y est alors ajoutée par fractions de 5 mL.Après chaque addition, la température est re-levée et notée dans un tableau.

Volume de HNO3 en mL

0 5,0 10,0 15,0

t en °C 18,0 20,5 23,0 25,5

20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0

27,9 30,3 32,9 31,6 30,5 29,5

a) Écrire et pondérer l’équation de la réaction chimique.

b) Porter en graphique la température en fonction du volume de HNO3 ajouté.

c) Déterminer le volume d’HNO3 ajouté au ter-me de la réaction.

d) Calculer la concentration molaire de la so-lution de KOH.

e) Calculer la masse d’hydroxyde de potassium contenu dans le volume prélevé.

f) Calculer Qneutralisation de la base par l’acide en négligeant les pertes thermiques et l’éner-gie thermique absorbée par le récipient.

(csolution = 4,18 kJ . kg–1 . °C–1).g) En déduire la valeur de ∆Hmolaire.

R : c) V = 30,0 mL d) C = 2,4 mol . L–1

e) mKOH = 3,37 g f) Qneutralisation = 3,43 kJ g) ∆Hmolaire = – 57,1 kJ

FT4

7 La chaleur de combustion d’une bougie peut être évaluée, à la maison, de la fa-çon suivante.

Une masse donnée de bougie est brûlée sous une boîte de conser-ve contenant 200 g d’eau.D’une part, après avoir agité l’eau, l’élévation de température est re-pérée par un thermo-mètre gradué au degré (figure 1).

D’autre part, la masse de bougie restante est déterminée au moyen d’une balance de mé-nage. La pesée se fait toutes les 10 minutes durant 1/2 heure (figure 2).

Température de l’eau en fonction du temps

10

15

20

25

30

35

0 5 10temps (minutes)

tem

péra

ture

(°C

)

Figure 1

Masse de la bougie en fonction du temps

104

105

106

107

108

109

0 10 20 30 40temps (minutes)

mas

se (

g)

Figure 2


a) Estimer la chaleur dégagée en 8 minutes par la combustion de la bougie, en ne te-nant compte que de l’élévation de la tem-pérature de l’eau.

b) Exprimer cette chaleur Q par kilogramme de bougie brûlée.

c. Énergie et vie courante

1 L’eau d’une piscine de 50 m de longueur, 10 m de largeur et 2,0 m de profondeur est chauffée par une chaudière alimen-tée au mazout.

Calculer le volume de mazout à utiliser pour élever de 10°C la température de l’eau en

supposant que toute l’énergie dégagée par la combustion du mazout est absorbée unique-ment par l’eau de la piscine.Utiliser les données suivantes :•  la masse volumique du mazout est de

0,85 kg . L–1 ;•  un kilogramme de mazout dégage en brûlant

une énergie de 42 MJ.R : V = 1,2 . 103 litres

2 Les boîtes autochauffantes (voir cours de quatrième) contiennent du CaO qui, en réagissant avec l’eau, dégage de la chaleur :

CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2(aq) + 65,2 kJ

Un industriel fabriqua des boîtes autochauf-fantes contenant 250 mL de café.a) Calculer les masses d’oxyde de calcium et

d’eau exactement nécessaires pour élever de 40°C la température du café (csolution = 4,18 kJ . kg–1 . °C–1).

b) Interpréter le tableau suivant en justifiant le choix de l’oxyde de calcium comme réac-tif dans la boîte autochauffante.

34

Réactif Logo de dangerDescription du

risque∆H de réaction dans

l’eau (kJ . mol–1)Prix par kg

Oxyde de calcium CaO corrosif – 64 10 €

Sulfate de cuivre(II) anhydre CuSO4

irritant – 66 60 €

Hydroxyde de sodium NaOH

corrosif – 42 5 €

R : m CaO = 35,8 g m H2O

= 11 ,5 g


FT3

3 Depuis 2011, les nouveaux bâtiments wallons doivent satisfaire à de nouvel-les normes en matière de performance énergétique1. Les bâtiments neufs doi-vent présenter une consommation infé-rieure à 170 kWh/m2/an, soit consom-mer au maximum :

– 17 L de mazout/m2/an ;– 17 m3 de gaz/m2/an ;– 34 kg de bois sec/m2/an.

1 La Libre Belgique Immo, du 27 août 2009.

Il s’agit ici d’énergies dites primaires c’est-à-dire non transformées en électricité.À titre de comparaison, les logements construits dans les années 1960/1970 ont une consomma-tion annuelle d’énergie d’environ 300 kWh/m2/an, en moyenne.Vérifier par calculs la pertinence des trois va-leurs de consommation de mazout, gaz ou bois sachant que 1 MJ = 0,28 kWh.Tableau de données

Combustible Masse volumique

Énergie MJ/kg

Mazout 0,77 kg/L 44,7

Gaz CH4

0,65 kg/m3 (25°C)

55,7

Bois 400 kg/stère 18,8

FT3

4 Sur base des données du problème n° 3 et du mode de chauffage de l’habitation, calculer la performance énergétique de votre habitation.

(La surface à considérer est celle des pièces habitées hors caves et greniers.)

Chapitre 336


SAVOIRS

• définir :– système isolé,– réaction exothermique,– réaction endothermique,– enthalpie d’un réactif et d’un produit,– calorimétrie ;

• citer le principe de conservation de l’énergie en système isolé ;

• expliquer le principe de la calorimétrie ;

• citer la relation relative à la calorimétrie ;

• donner la signification des symboles H et H et H ∆H∆H∆ ;

• connaître la signification du signe affecté à ∆H∆H∆ ;

SAVOIR-FAIRE

• distinguer une réaction exothermique d’une réaction endothermique ;

• compléter l’équation d’une réaction chimique en écrivant adéquatement le symbole E selon que la réaction est exothermique ou endother-mique ;

• appliquer le principe de conservation de l’énergie en système isolé au cas de la disso-ciation dans l’eau d’un composé ionique selon que la réaction est exothermique ou endother-mique ;

• schématiser l’échange d’énergie lors de la dis-sociation d’un composé ionique dans l’eau se-lon que la réaction est exothermique ou endo-thermique ;

• attribuer à l’équation d’une réaction chimi-que le symbole ∆H∆H∆ avec son signe selon que la H avec son signe selon que la Hréaction est exothermique ou endothermique;

• dessiner, lire et interpréter un diagramme d’enthalpie ;

• réaliser des mesures calorimétriques en vue de déterminer une variation d’enthalpie (∆H∆H∆ ) ac-H) ac-Hcompagnant une transformation ;

• calculer des valeurs de Q à partir de résultats d’expériences calorimétriques ou d’autres don-nées. En déduire la valeur de ∆H∆H∆ et H et H ∆H∆H∆ molaireHmolaireH .

Ressources à intégrerRessources à intégrer


De l’énergie pour notre corps…

Dans les réactions biochimiques, les énergies mises en jeu sont relativement faibles même si, à première vue, l’équation bilan de la réaction s’accompagne d’une variation d’énergie importante.Par exemple, la combustion à l’air libre d’une mole de glucose libère une énergie totale de 2,8 MJ :

C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l) ∆H∆H∆ = –2,8 MJ

En revanche, dans la cellule, cette même réaction est décomposée en réactions intermédiaires générale-ment contrôlées par des enzymes (glycolyse) ; cha-que réaction intermédiaire libère une faible énergie (certaines peuvent même être endothermiques) :

R → A + E1

A → B + E2

B → …

… → P + En

Un second exemple de réaction biochimique nous est donné par l’utilisation de l’adénosine triphosphate (ATP) comme réservoir d’énergie.En effet, les réactions de dégradation du métabolisme alimentaire produisent de l’énergie qui doit elle-mê-me être utilisée pour les réactions de synthèse bio-chimique et pour la production des diverses formes d’énergie nécessaire à la vie cellulaire.Cette énergie produite est momentanément stockée dans les molécules d’ATP qui peuvent à leur tour la libérer à tout moment.

Le sigle ~ montre les endroits de formation ou de rupture des liaisons.

O

HO

OH

P PO

P

O

OH

PO O

NNC

C

CN

NH2

HCCH

CH2 O

NO

OHH

H HH

OH OH

Modèle de molécule d’ATP

Quand l’ATP perd par exemple un seul groupe phos-phate P , il devient l’adénosine diphosphate (ADP) en libérant de l’énergie :

ATP → ADP + P + ELes recherches en biochimie ont montré que, quelle que soit la forme prise par le travail biologique (mus-culaire, synthèses des protéines, déclenchement de l’influx nerveux, etc.), l’énergie nécessaire était tou-jours fournie par l’ATP.D’une part, l’ATP joue donc le rôle de réservoir énergé-tique de l’organisme au cours des réactions de dégra-dations alimentaires. D’autre part, l’ATP restitue l’éner-gie au cours des réactions de maintien de la vie.Le schéma ci-dessous montre comment l’ATP joue son rôle de réservoir d’énergie au cours des réactions de dégradation alimentaire et comment il restitue l’éner-gie au cours des réactions de synthèse de molécules complexes (matériel génétique, protéines, etc.) :

E

ADP + P

ATPmoléculessimples

moléculessimplesDégradations

alimentairesSynthèses

moléculaires

moléculescomplexes

moléculescomplexes

E

Cet exemple montre que le fonctionnement des orga-nismes vivants repose sur un couplage de réactions productrices d’énergie et de réactions consommatri-ces d’énergie.

Pour en savoir plus ...Pour en savoir plus ...

Chapitre 6

Au terme d’une réaction chimique incomplète, un état d’équilibre dynamique s’installe entre les

réactifs et les produits. Cet état est caractérisé par un ensemble

de critères définis tant au niveau macroscopique que microscopique.

Il est, en outre, possible, à partir des facteurs de spontanéité, de

prévoir si une réaction aboutira ou non à un état

d’équilibre dynamique.

Équilibre chimique, approche

qualitative

Chapitre 658

Mise en situationMise en situation

Le chapitre précédent a permis de découvrir que certaines réactions chimiques ne sont pas complètes. Ainsi, lors de la formation de l’ion FeSCN2+, il est possible de montrer que les réactifs, les ions ferriques Fe3+ et les ions thiocyanates SCN–, sont toujours présents et coexis-tent avec les ions FeSCN2+ responsables de la couleur rouge de la solution finale.

Si d’un point de vue macroscopique, la réaction semble terminée (aucune variation de couleur), qu’en est-il au niveau microscopique ? Y a-t-il des interactions particulières entre les différents ions dans la solution finale ? Comment peut-on décrire l’état du système ?

Afin de répondre à ces questions, analysons le phénomène suivant et tentons d’y apporter une explication.

La mise en solution progressive de 29,4 g (0,1 mol) de dichromate de potassium K2Cr2O7 dans 100 mL d’eau aboutit à une solution orange avec finale-ment la présence de cristaux au fond du récipient comme le montre la photo ci-contre.

Un des cristaux est extrait de cette solution et est maintenu dans une solution saturée de K2Cr2O7 en système isolé. L’observation au binoculaire de ce cristal de semaine en semaine montre qu’il change de forme.

1re semaine 2e semaine 3e semaine

D’autres mesures nous renseignent que la masse totale de ce cristal ne varie pas et que l’in-tensité de la coloration orange de la solution est toujours la même.

Pour interpréter ces différentes observations, commençons par définir l’état dans lequel se trouve le système lorsqu’une réaction incomplète est observée.

59Équilibre chimique, approche qualitative


L’état d’équilibre d’un système

Dans l’expérience présentée ci-avant, l’addition progressive du dichromate de potassium se déroule en plusieurs phases successives.• Au départ, lorsque quelques grammes de sel so-

lide sont versés dans 100 mL d’eau à 20°C, le sel se dissout entièrement : la réaction est complète, tout le réactif a été transformé en produits.

Le dichromate de potassium se dissout dans l’eau selon l’équation de dissociation :

H2OK2Cr2O7(s) →2→2 2K+(aq) + Cr2O7

2–(aq)

La couleur de la solution est orange.• Lorsque 12,1 g (0,041 mol) de sel ont été versés

dans 100 mL d’eau à 20°C, tout le sel s’est dissous et la solution est saturée.

• Lorsque quelques grammes de sel solide sont à nou-veau versés dans la solution saturée, le sel ne se dissout plus ; il reste du réactif en présence des produits. La solution est dite saturée avec excès.

Cr2O7(aq)2–

K2Cr2O7(s)

K+(aq)

Solution saturée avec excès

Dans cette solution saturée avec excès, l’intensité de la coloration orange (due à l’ion dichromate) reste constante ainsi que la masse de dichroma-te de potassium solide, si la température reste constante.

On dit que ce système a atteint son état d’équi-libre.

Un système a atteint son état d’équilibre lorsque ses propriétés macroscopiques restent constantes.

Cette condition est nécessaire mais n’est cependant pas suffisante. Dans notre exemple en effet, si le volume de solvant ou la température varie, les propriétés macroscopi-ques varient également : le système ne sera plus alors en état d’équilibre.

Par conséquent, pour maintenir un même état d’équilibre, il est nécessaire d’isoler le système, c’est-à-dire faire en sorte que la masse totale du système et sa température ne varient pas.

Pour rester à l’état d’équilibre, un système chimique doit être isolé.

Modèle de l’état d’équilibre dynamique

Nous sommes arrivés à la conclusion qu’à l’état d’équilibre, les propriétés macroscopiques d’un sys-tème isolé restent constantes. Cependant, dans la mise en situation, nous avons signalé que le cristal de K2Cr2O7 changeait de forme de semaine en semaine sans pour autant changer de masse.Pour rendre compte de ces observations, il faut en-visager le problème au niveau microscopique.Dans la solution saturée avec excès du dichromate de potassium, ions et molécules d’eau sont perpé-tuellement en mouvement. Il y a donc des chocs entre les parties constitutives de la solution (ions et molécules d’eau) et le cristal.Nous pouvons dès lors imaginer que des transforma-tions ont lieu au niveau moléculaire.

K+ K+ K+

K+

Cr2O72–

Cr2O72–

• Lors de la réaction de dissolution, des ions K+ et Cr2O7

2– quittent le cristal ;K2Cr2O7 (s) → 2K+

(aq) + Cr2O72–

(aq)

• Lors de la réaction de cristallisation, des ions K+

et Cr2O72– se déposent sur le cristal :2K+

(aq) + Cr2O72–

(aq) → K2Cr2O7 (s)

Les propriétés macroscopiques (masse du cristal et coloration de la solution) étant constantes, il faut admettre que ces deux réactions se passent à la même vitesse.Ce modèle selon lequel les propriétés macroscopi-ques du système isolé ne changent pas, et où il se produit constamment des transformations inverses à vitesse égale au niveau moléculaire, est appelé modèle dynamique.

Chapitre 660

Dans un système chimique à l’état d’équilibre, deux réactions inverses se déroulent à vitesse égale. Ce système chimique est dit alors systè-me chimique à l’état d’équilibre dynamique.

Trois conditions sont donc nécessaires pour recon-naître un système à l’état d’équilibre dynamique :1. le système est isolé ;2. les propriétés macroscopiques du système ne va-

rient pas ;3. deux réactions inverses s’y produisent en perma-

nence à vitesse égale.

Écriture de l’équation traduisant une réaction aboutissant à un état d’équilibre dynamique

Dans la solution saturée avec excès de dichromate de potassium à l’état d’équilibre dynamique, deux réactions inverses s’effectuent à la même vitesse.L’équation qui représente ces deux réactions simul-tanées et inverses s’écrit en une seule équation :

K2Cr2O7 (s) 2K+(aq) + Cr2O7

2–(aq)

Les deux flèches de même longueur mais de sens contraire indiquent que les deux réactions sont simul-tanées, inverses et s’effectuent à la même vitesse.

Cette écriture sera, dès lors, utilisée pour toute équation de réaction chimique incomplète aboutis-sant à un état d’équilibre dynamique. Ainsi, la réaction entre les ions Fe3+ et les ions SCN–

étudiée au chapitre précédent s’écrit :Fe3+

(aq) + SCN–(aq) FeSCN2+

(aq)

L’évolution de la concentration des réactifs et des produits de cette réaction en fonction du temps peut être suivie graphiquement.

Ainsi, la concentration des réactifs décroît réguliè-rement et se stabilise. La concentration des pro-

Conc

entr

atio

n

temps

Étatd’équilibredynamique

ou SCNFe3+ ou SCNFe3+ ou SCNFe

FeSCN2+

–

duits, par contre, augmente et finit, également, par se stabiliser.Lorsque les concentrations des réactifs et des pro-duits n’évoluent plus, on dit que la réaction incom-plète aboutit à un état d’équilibre dynamique.

Pour illustrer un exemple d’équilibre dynamique, envisageons un naufragé sur l’océan dans un canot qui prend l’eau. L’eau qui s’introduit dans le bateau est analogue à une réaction directe, et l’eau qui est rejetée par-dessus bord est assimilée à la réaction inverse. Si l’eau est rejetée aussi vite qu’elle n’entre dans le canot, le niveau de l’eau à l’intérieur du bateau restera constant tout comme les concentra-tions des réactifs et des produits d’une réaction à l’équilibre.Notons qu’on a gardé l’habitude d’appeler réactifsles substances qui figurent à gauche dans l’équa-tion chimique et produits celles qui figurent à droi-te tout en sachant bien que la réaction se déroule simultanément dans les deux sens.

État d’équilibre dynamique et facteurs d’évolution spontanée

Précédemment, deux facteurs d’évolution sponta-née des réactions ont été mis en évidence :– l’enthalpie : les systèmes évoluent, en général,

vers l’état d’enthalpie minimale ;– le désordre : les systèmes évoluent, en général,

vers un état de désordre plus grand.

La réaction directe est la réaction de gauche à droite et la réaction inverse est celle de droite à gauche.

Réaction directe

R PRéaction inverse

Un système chimique à l’état d’équili-bre dynamique est un système dans le-quel deux réactions inverses se déroulent à vitesse égale et où les concentrations des réactifs et des produits demeurent constantes.


À l’aide de ces deux facteurs, voyons comment prévoir si une réaction sera considérée comme :

– complète ;

– incomplète et aboutissant à un état d’équilibre dynamique ;

– considérée comme impossible.

Selon que la réaction est exothermique (∆H < 0) ou endothermique (∆H > 0) et que le désordre augmente (∆ng > 0) ou diminue (∆ng < 0), quatre cas peuvent se présenter et sont repris dans le tableau suivant.

Signe de ∆H Signe de ∆ng Type de réaction

— —

+ +

Les deux facteurs favorisent la réaction directe : la réaction est consi-dérée comme COMPLÈTE.

Un des deux facteurs favorise la réaction directe, l’autre favorise la réaction inverse : ces réactions sont considérées comme incomplètes et aboutissent à un ÉTAT D’ÉQUILIBRE DYNAMIQUE.

Les deux facteurs défavorisent la réaction directe : la réaction est considérée comme IMPOSSIBLE.

L’état d’équilibre dynamique d’un système chimique est un compromis entre les deux tendances opposées des facteurs d’évolution spontanée : stabilité énergétique et désordre.

Ainsi, dans l’exemple simple d’un système isolé contenant de l’eau,

•  la tendance à la stabilité favorise la réaction :

H2O(g) → H2O(l) ∆H = – 44 kJ

•  la tendance au désordre favorise la réaction :

H2O (l) → H2O(g) ∆ng = + 1 mol

En conséquence, un compromis s’établit entre les deux tendances opposées et un état d’équilibre s’établit entre H2O(l) et H2O(g).

désordre

H2O(l) H2O(g)stabilité

H2O (l)

H2O (g)


1 Repérer, parmi les systèmes suivants, ceux qui répondent aux conditions de l’état d’équilibre dynamique. Justifier la réponse.

a) De l’éther qui s’évapore sur la main.b) Une solution saturée avec excès de chlo-

rure de sodium contenue dans un erlen-meyer bouché et maintenue à température constante.

c) De l’essence qui brûle.d) Du sulfate de cuivre dissous sans excès dans

de l’eau.e) Un dépôt de chlorure d’argent dans une so-

lution saturée.f) Un verre d’eau pétillante.g) De l’eau pure dans une bouteille fermée et

remplie à ras bord, à température constante.h) L’eau minérale d’une bouteille fermée conte-

nant, à température constante, du gaz car-bonique dissous.

2 Parmi les exemples ci-dessus, écrire les équations des réactions chimiques qui aboutissent à un état d’équilibre dyna-mique.

3 Considérons, comme un système isolé, une équipe de football répartie sur le terrain et sur le banc des réserves, au cours d’un match.

Parmi les exemples repris ci-dessous, repérer celui qui n’est pas un exemple d’équilibre en système isolé.

a) Un joueur quitte le jeu, rejoint le banc des réserves et est remplacé par un joueur de réserve.

b) Un joueur est exclu du jeu, renvoyé aux vestiaires et n’est pas remplacé.

c) Un joueur de l’avant permute avec un joueur de l’arrière.

d) Un joueur de l’avant permute avec un joueur de l’arrière et ce dernier est lui-mê-me remplacé, à la mi-temps, par un joueur de réserve.

4 Dans une réaction, lorsque l’état d’équi-libre est atteint :

a) il y a 50 % de réactifs et 50 % de pro-duits ;

b) macroscopiquement, il n’y a plus aucun changement, mais à l’échelle moléculaire, les réactions directe et inverse se poursui-vent à vitesse égale ;

c) les réactions directe et inverse continuent à évoluer jusqu’à atteindre une vitesse limite, puis tout s’arrête.

Choisir la ou les bonnes réponses.

5 Parmi les affirmations suivantes, choi-sir la ou les propositions correctes :

a) une réaction complète s’accompagne d’un dégagement d’énergie et d’une augmenta-tion du désordre ;

b) les facteurs enthalpie et désordre varient en sens opposé dans une réaction aboutis-sant à un état d’équilibre dynamique ;

c) une réaction chimique est considérée im-possible lorsque l’état final du système est plus énergétique et présente un désordre plus faible que l’état initial ;



d) une réaction exothermique sera toujours complète quelle que soit l’évolution du dé-sordre ;

e) il faut une augmentation du désordre pour qu’une réaction endothermique soit com-plète.

6 En utilisant les valeurs de ∆H des réactions et en calculant celles de ∆ng, compléter l’écriture des équations en utilisant le symbole adéquat :

→ dans le cas d’une réaction complète ;

dans le cas d’une réaction incomplète aboutissant à un état d’équilibre ;

→dans le cas d’une réaction considérée comme impossible.

Description de la réaction Équation de la réaction ∆H en kJ

Réaction de l’acide chlorhydrique avec le zinc Zn(s) + 2HCl(aq) … ZnCl2(aq) + H2(g)

– 154

Synthèse de l’ammoniac N2(g) + 3 H2(g) … 2 NH3 (g)– 92

Réaction du dihydrogène avec le chlorure de fer(II) FeCl2(aq) + H2(g) … Fe(s) + 2 HCl(aq)

+ 82

Transformation du monoxyde d’azote en dioxyde d’azote 2 NO(g) + O2(g) … 2 NO2(g)

– 114

Synthèse de l’eau 2 H2(g) + O2(g) … 2 H2O(g)– 572

Décomposition du dichromate d’ammonium (NH4)2Cr2O7(s) … N2(g) + Cr2O3(s) + 4 H2O(l)

– 492

Réaction entre le chlorure d’ammonium et l’hydroxyde de calcium

2 NH4Cl(s) + Ca(OH)2(s) … 2 NH3(g) + 2 H2O(l) + CaCl2(aq)+ 73

Réaction du dihydrogène avec l’hydroxyde de potassium 2 KOH(s) + H2(g) … 2 K(s) + 2 H2O(l)

+ 280

Réaction de l’acide chlorhydrique avec le permanganate de potassium

2 KMnO4(s) + 16 HCl(aq) … 2 MnCl2(aq) + 2 KCl(aq) + 5 Cl2(g) + 8 H2O(l)

+ 68

Réaction de l’eau avec le carbure de calcium CaC2(s) + 2 H2O(l) … Ca(OH)2(aq) + C2H2(g)

– 146

Chapitre 664



SAVOIRS

•  définir :– système chimique à l’état d’équilibre dynami-

que ;– réaction directe et inverse ;

•  citer les conditions nécessaires pour qu’un systè-me chimique soit à l’état d’équilibre dynamique ;

SAVOIR-FAIRE

•  reconnaître un système chimique à l’état d’équili-bre dynamique ;

•  analyser un graphique pour déterminer si une réaction aboutit à un état d’équilibre dynamique ;

•  décrire, à l’aide d’un exemple, le caractère dyna-mique d’un état d’équilibre ;

•  écrire une équation de réaction chimique incom-plète aboutissant à un état d’équilibre dynamique ;

•  utiliser les facteurs d’évolution spontanée pour déterminer si une réaction sera complète, incom-plète aboutissant à un état d’équilibre dynami-que ou considérée comme impossible.

FT4

7 Parmi les graphiques suivants, choisir celui ou ceux qui correspondent à une réaction incomplète aboutissant à un état d’équilibre dynamique. Justifier la réponse.a)

temps (s)

C (m

ol/L

)

b)

temps (s)

C (m

ol/l

)

c)

temps (s)

C (m

ol/L

)

d)

temps (s)

C (m

ol/L

)

Pour en savoir plus ...


Pour réaliser une simulation expérimentale d’un état d’équilibre dynamique, il faut disposer de :• deux berlins de 100 mL, de forme identique ;• deux tubes de diamètre différent en verre ou en

plastique rigide.Il faut, ensuite, appliquer le mode opératoire suivant :• remplir le berlin de gauche avec 80 mL d’eau et

plonger le gros tube jusqu’au fond du berlin (1) ;• placer le fin tube dans le berlin vide de droite (1) ;• boucher avec le doigt le tube à essais de gauche, le

sortir du berlin et transvaser l’eau dans le berlin de droite (2) ;

• recommencer l’opération, cette fois avec les deux tubes (3a) et transvaser à nouveau de l’eau de gau-che à droite mais aussi de droite à gauche (3b) ;

• répéter l’opération plusieurs fois (4).

1 2

3a 3b

4

Finalement, les volumes d’eau dans chaque berlin ne varient plus. On atteint un état d’équilibre dyna-mique.

Le tableau suivant reprend les résultats d’une simula-tion informatique.

Transvasement n°Volume

à gauche (mL)

Volume à droite

(mL)0 80 01 66 142 55 253 47 334 40 405 35 456 31 497 28 528 25 559 23 5710 22 5811 20 6012 19 6113 19 6114 19 6115 19 6116 19 61

Après 12 transvasements, les volumes dans les berlins ne varient plus : on atteint un état d’équilibre dyna-mique comme le montre le graphique ci-dessous :

Évolution du volume d’eau dans les berlins de gauche et de droite en fonction du nombre de transvasements

Étatd’équilibre

Nbre de transvasements1614121086420

0102030405060708090

Volu

me

(mL)

Volume berlin de gaucheVolume berlin de droite

Simulation expérimentale d’un état d’équilibre dynamique


Chapitre 11

Les alcanes, hydrocarbures saturés issus du raffinage du pétrole,

sont d’excellents combustibles susceptibles de fournir énergie

thermique et énergie mécanique.Malheureusement, leur

combustion produit différents polluants et elle est, en partie,

à l’origine du réchauffement de la planète.

Réaction de combustion

des alcanes


Comme le montre le graphique ci-dessous, une part très importante de la production mon-diale d’énergie est encore issue de la combustion de gaz naturel, de charbon ou de pétrole (combustibles fossiles). Les valeurs sont données en exajoules, c’est-à-dire 1018 J.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Éner

gie

en E

J

1970 1980 1990 2000 2008

NUCLÉAIREHYDRAULIQUECHARBONGAZPÉTROLE

Consommation d’énergie dans le monde1

Parmi ces combustibles, nous nous intéresserons plus particulièrement aux alcanes, hydro-carbures saturés de formule générale CnH2n + 2.

La combustion des alcanes en présence de dioxygène est une source d’énergie.

Quels sont les produits de cette combustion ?

Pour répondre à cette question, nous étudierons la combustion du gaz alimentant les becs bunsen du laboratoire.

Mise en situation

Mettre en évidence la formation des produits issus de la combustion du gaz de laboratoire

Pour ce faire :

• allumer un bunsen et régler l’arrivée de gaz et d’air de manière à ob-tenir une petite flamme bleue ;

• au-dessus de la flamme, tenir un berlin de 250 mL ;

• observer ;

• en tenant au-dessus de la flamme bleue un autre berlin préalablement humidifié avec de l’eau de chaux, observer les gouttelettes d’eau de chaux ;

• régler le bunsen pour obtenir une flamme jaune éclairante et tenir au-dessus de celle-ci, avec une pince en bois, un creuset en porcelaine ;

• observer.

1 BP Statistical Review of World Energy, juin 2009.

Chapitre 11114

Profil des réactifs

Lors de la combustion du gaz de laboratoire, deux réactifs sont en présence : le dioxygène et un al-cane.•  Le dioxygène O2, le comburant, est une molécule

diatomique dans laquelle les deux atomes O sont liés par deux liaisons covalentes parfaites.

O O

À l’état naturel, le dioxygène se trouve dans l’at-mosphère dans une proportion de 21 % en vo-lume.

•  Les alcanes, excellents combustibles, sont des hy-drocarbures saturés dans lesquels :– les seuls atomes présents sont le carbone C et

l’hydrogène H ;– les liaisons entre atomes sont toutes des liaisons

covalentes simples soit entre deux atomes car-

bone C C soit entre un atome carbone et

un atome hydrogène C H.

Exemples

Profil de la réaction de combustion

Les expériences permettent de distinguer plusieurs profils de réaction de combustion : la combustion complète, la combustion incomplète3 et la combus-tion explosive.

Combustion complète

Lors de la manipulation, l’apparition de gouttelet-tes d’eau sur les parois du premier berlin et la pré-sence d’un trouble blanchâtre sur les parois du se-cond berlin montrent que la combustion du gaz de laboratoire, un alcane, entraîne la formation d’eau H2O et de dioxyde de carbone CO2.


Nomenclature2 Formule moléculaire

Formule développée plane

Formule semi-développée

méthane CH4C HH

H

H

CH4

propane C3H8C CH

H

H

C H

H

H

H

H

CH3 CH2 CH3

2,2,4-triméthylpentane C2,2,4-triméthylpentane C8H18C CH

H

H H H

C C C H

C

C

H

H HCH HC

H

CH HCH HC

H

H

H H H

H

C CH2CH3

CH3

CH3

CH CH3

CH3

2 Voir annexe 6.3 Cette terminologie (complète, incomplète) n’a pas la même signification qu’au chapitre 5.


Cette transformation s’accompagne de lumière et de chaleur : elle est donc exothermique.De façon générale, si la réaction de combustion entre l’alcane (combustible) et le dioxygène (comburant) est conduite en présence de suffisamment de dioxy-gène, les réactifs se transforment complètement en gaz carbonique CO2 et en vapeur d’eau H2O.Dans ce cas, la réaction de combustion est dite complète.À titre d’exemples, voici quelques équations tradui-sant les combustions complètes du :– méthane : CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) + E– propane : C3H8(g) + 5 O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(g) + E– 2,2,4-triméthylpentane :

C8H18(l) + 252 O2(g) →8 CO2(g) + 9 H2O(g) + E

L’équation générale d’une réaction de combus-tion s’écrit :

CnH2n + 2 + (3n + 1)2

O2 → n CO2 + (n + 1) H2O + E

Lors de ces réactions ont lieu :– d’une part, la rupture de toutes les liaisons

C C, C H de l’alcane et de la double liaison O O du dioxygène ;

– d’autre part, la formation des liaisons entre C et O pour former CO2 et entre H et O pour former H2O.

Pour toutes les réactions de combustion exothermi-ques, il est possible de calculer le ∆H de réaction. Sa valeur est égale à la différence entre l’énergie nécessaire pour rompre les liaisons dans les réactifs (Erupture) et l’énergie libérée lors de la formation des liaisons dans les produits (Eformation) :

∆H = Erupture – Eformation

Le schéma suivant permet de visualiser la variation d’enthalpie lors d’une réaction de combustion.

EnthalpieHatomes

E form

atio

n

E rupt

ure

HR

HP

∆ H

Le calcul de la variation d’enthalpie lors de la com-bustion d’un alcane peut s’effectuer à partir des va-leurs des énergies de liaison EL figurant dans des tables.Ces valeurs ont été déterminées expérimentalement lors de la formation, à l’état gazeux, d’une mole de AB à partir d’une mole d’atomes A gazeux et d’une mole d’atomes B gazeux dans les conditions standard :

A(g) + B(g) → A – B(g) + EL

Extrait d’une table reprenant les valeurs de quelques énergies de liaisons EL

Type de liaison EL (kJ . mol–1)

H H 436O O 498

H O 464C C 346C H 413C O (CO2) 803

Effectuons, par exemple, le calcul du ∆H lors de la combustion d’une mole d’éthane traduite par l’équation :

C2H6(g) + 72 O2(g) →2 CO2(g) + 3 H2O(g)

Afin de mieux visualiser les liaisons et leur nombre, écrivons cette équation en utilisant les formules développées des réactifs et des produits.

CH

H

H

C H + →

H

H

72

O O

2 3+ O C O O HH

Le bilan énergétique de la réaction figure dans le tableau ci-dessous.

Erupture (kJ)

1 mole de C C6 moles de C H3,5 moles de O O

1 × 3466 × 413

3,5 × 498

4 567

Eformation (kJ)

4 moles de C O6 moles de H O

4 × 8036 × 464

5 996

Dès lors, ∆H vaut :4 567 – 5 996 = – 1 429 kJ . mol–1

Chapitre 11116

Combustion incomplète

Avec une flamme jaune éclairante, la combustion du gaz produit, outre CO2 et H2O, un dépôt noir sur le creuset : ce dépôt n’est rien d’autre que du carbone C solide.Tous les atomes C provenant de l’alcane ne se sont donc pas liés à deux atomes O.Outre ce dépôt de carbone solide, il peut aussi se former du monoxyde de carbone gazeux CO.Par défaut de dioxygène, la plupart des réactions de combustion des alcanes sont incomplètes.Ainsi, dans les chauffe-eau, les poêles ou appareils de chauffage mal réglés, la combustion incomplète s’accompagne de la production de CO, gaz incolore, inodore et très toxique qui tue chaque année, en Belgique, une centaine de personnes.

Pour prévenir tout accident chez soi, il faut :

– faire vérifier par un professionnel les cheminées et les installations de chauffage ou de production d’eau chaude au moins une fois par an ;

– placer des grilles d’aération.

Combustion explosive

Dans certaines conditions, la combustion des alca-nes peut se révéler explosive.C’est ainsi que le méthane, mélangé à l’air dans certaines proportions, forme un mélange détonant bien connu dans les mines de charbon sous le nom

de grisou. Chaque année, les « coups de grisou » tuent des dizaines de mineurs.

CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) + E

Les médias relatent aussi assez fréquemment des explosions dans les pièces d’habitation dues aux fuites de gaz domestique : une simple étincelle suf-fit à les provoquer.

Gestion d’une réaction de combustion

Encore relativement abondants à l’état naturel, les alcanes sont surtout utilisés pour produire de l’énergie thermique et de l’énergie mécanique.Suivant la technologie choisie qui impose les conditions dans lesquelles se déroule la réaction de combustion (température, pression…), un même combustible peut être utilisé pour produire préfé-rentiellement l’une ou l’autre forme d’énergie.C’est ainsi que le fioul, utilisé dans un poêle à pres-sion atmosphérique, est surtout une source de cha-leur : dans ce cas, il est appelé mazout.Le même fioul, connu alors sous le nom de diesel, peut aussi servir à la propulsion d’un véhicule grâce au moteur thermique encore appelé moteur à ex-plosion.Dans les deux cas, le phénomène de combustion se traduit par la même équation :

C17H36(l) + 26 O2(g) → 17 CO2(g) + 18 H2O(g) + E

Quant aux produits mêmes de la réaction de com-bustion, CO2 et H2O, ils sont rejetés dans l’atmos-phère où le CO2 serait, en partie, responsable de l’augmentation de l’effet de serre actuel et donc du réchauffement climatique.


Utilisation des produits de combustion : l’énergie thermique et l’énergie mécanique

Utilisation de l’énergie thermique

Tous les combustibles, en particulier les alcanes ou des mélanges d’alcanes, sont caractérisés par leur pouvoir thermique appelé aussi pouvoir calori-fique.

Par convention, le pouvoir thermique d’un combustible est la quantité d’énergie thermique dégagée par la combustion d’un kilogramme de combustible et s’exprime en kJ . kg–1 ou en MJ . kg–1.

Le tableau suivant donne le pouvoir thermique de quelques combustibles.

Combustibles Pouvoir thermique (MJ . kg–1)

méthaneéthanepropanebutaneessenceskérozènesgazolesfioulcharbonbois sec

55,751,950,749,847,746,144,742,626,318,8

Connaissant le prix d’un kilogramme d’un combus-tible et son pouvoir thermique, il est possible de calculer, pour chaque combustible, le rapport éner-gie dégagée/prix et d’effectuer un choix pour gérer au mieux les « dépenses énergie ».

Utilisation de l’énergie mécanique

Les moteurs thermiques, aussi appelés moteurs « à combustion interne » ou « à explosion », équipent encore à l’heure actuelle la plupart des véhicules de transport.

Nous nous contenterons de décrire les moteurs à 4 temps essence et Diesel, tous deux inventés à la fin du xixe siècle.a) Moteur à essence

La combustion explosive de l’essence dans un mo-teur peut être représentée de manière simplifiée par l’équation bilan suivante :

C8H18(l) + 252 O2(g) → 8 CO2(g) + 9 H2O(g) + E

On assiste ainsi, dans un cylindre, à une brusque augmentation de la température et du nombre de moles de gaz, donc de la pression.Cette variation brutale de la pression est mise à profit pour obtenir de l’énergie mécanique.Environ un tiers de l’énergie totale dégagée par la combustion est ainsi convertie en énergie mé-canique.Nous détaillons ci-après les phénomènes qui se pas-sent dans un cylindre, le processus étant identique, quoique non simultané, dans les autres cylindres du moteur.Premier temps : admissionLa soupape d’admission (1) est ouverte, la soupape d’échappement (2) est fermée. Le piston, entraîné par la rotation du vilebrequin, descend et aspire un mélange d’air et d’essence.Deuxième temps : compression-explosionLes deux soupapes sont fermées. Le piston remonte et comprime le mélange gazeux. Quand le piston arrive au sommet de sa course, la bougie produit une étincelle qui enflamme le carburant : c’est l’ex-plosion.Troisième temps : détenteLes deux soupapes sont fermées. Suite à l’explo-sion du mélange air-essence, la température et le

Chapitre 11118

nombre de moles de gaz augmentent fortement, ce qui provoque une forte augmentation de la pression sur le piston. Celui-ci est ainsi violemment repoussé vers le bas : c’est la détente ou temps moteur.

Quatrième temps : échappement

La soupape d’échappement (2) est ouverte. La sou-pape (1) est fermée. Le piston remonte et les pro-duits de la combustion sont expulsés à l’extérieur.

b) Moteur Diesel

L’Allemand Rudolf dieSeL (1858-1913) voulut obtenir un moteur performant et meilleur marché utilisant des produits pétroliers moins raffinés (mazout et huiles lourdes du pétrole).De plus, pour éviter l’emploi de bougies et d’un circuit d’allumage sophistiqué, Diesel inventa un système d’injection du mazout directement dans le cylindre.Dans le moteur Diesel, les admissions d’air et de mazout sont dissociées :

•  l’admission de l’air seul se fait au cours du premier temps : il est fortement comprimé au cours du deuxième temps (deux fois plus que dans un mo-teur à essence) ; sa température devient élevée ;

•  lorsque le piston atteint son point le plus haut, le mazout est injecté et s’enflamme spontanément.

Détente et échappement terminent le cycle comme dans le cas du moteur à essence.Le moteur Diesel, d’une très longue longévité, fut développé pour la motorisation des camions, la propulsion des navires et adapté aux voitures de tourisme quelques années avant la Seconde Guerre mondiale par la firme Mercedes.Ce moteur est cependant plus bruyant et plus lourd (coût supérieur à l’achat) car il doit résister à des pressions très grandes. De plus, les problèmes de pollution avec le mazout (formation de suies plus importantes, combustion incomplète, etc.) sont plus importants et plus difficiles à résoudre qu’avec l’essence.

Gestion des déchets

La combustion du pétrole, du gaz naturel et du charbon (les énergies dites « fossiles ») s’accompa-gne de rejets dans l’atmosphère de nombreux com-posés gazeux qui, non seulement, polluent notre environnement immédiat mais hypothèquent aussi, d’après les derniers modèles atmosphériques, l’ave-nir de notre planète.Citons :•  le dioxyde de carbone CO2 formé dans toutes

les réactions de combustion d’hydrocarbures et

Soupaped’admission

Soupaped’échappement

VilebrequinBielle

Cylindre

Piston

Bougie

(I)Admission

(II)Compression suivie

d’une explosion

(III)Détente

Mélangeair/essence

Produitde la

combustion

(IV)Échappement

(1) (2) (1) (2)


responsable, en partie, du réchauffement clima-tique ;

•  le monoxyde de carbone CO, les hydrocarbures non brûlés et, provenant de la réaction à haute température et sous pression entre N2 et O2 de l’air, les oxydes d’azote NOx : ces composés sont présents dans tous les gaz d’échappement des moteurs à combustion interne ;

•  les oxydes de soufre SOx faisant partie des rejets des grandes centrales industrielles utilisant le charbon ou les gazoles lourds et peu raffinés ;

•  …

À l’heure actuelle, l’Humanité a pris conscience du problème posé par ses activités et tend à lutter contre les pollutions :•  tentatives pour diminuer la consommation

d’énergies fossiles par la mise en place de sources d’énergie renouvelables (énergie solaire, énergie éolienne, énergie géothermique, énergie des ma-rées…) ;

•  accords internationaux pour l’instauration, par pays, de quotas d’émission de CO2 (protocole de Kyoto, réunion de Copenhague…) ;

•  recherche de nouvelles technologies pour rendre les moteurs à combustion interne moins gour-mands et moins polluants ;

•  mise au point de techniques de purification des « fumées » industrielles ;

•  …Pour illustrer la gestion des déchets, nous prendrons comme exemple le pot catalytique, imposé par la loi dans l’équipement de toute voiture neuve.Pourquoi un pot catalytique ?Même correctement réglé, un moteur à combustion interne produit des gaz nocifs (CO, NOx…).Voici, à titre indicatif, la teneur moyenne des gaz d’échappement en CO, NO et C2H6 selon le régime du moteur.

Compo-sant

À l’arrêt À vitesse moyenne

En accé-lération

En décé-lération

CO 6,4 % 2,4 % 2,4 % 4,5 %

NO 0 % 0,14 % 0,17 % 0 %

C2H6 0,14 % 0,06 % 0,08 % 0,57 %

Quoiqu’apparemment faibles, ces pourcentages conduisent à une pollution croissante du fait du nombre de véhicules en circulation.

Le pot catalytique contient un catalyseur chimique (platine et palladium imprégnant de l’oxyde d’alu-minium) qui favorise la transformation des trois gaz précités en gaz nettement moins nocifs. Ce pot est dit « à trois voies » parce que, nous allons le voir, il effectue trois épurations distinctes :•  le monoxyde de carbone y est transformé en

dioxyde de carbone :

2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g)

•  le monoxyde d’azote, en diazote :2 NO(g) + 2 CO(g) → N2(g) + 2 CO2(g)

•  les hydrocarbures, en dioxyde de carbone et va-peur d’eau :

2 C2H6(g) + 7 O2(g) → 4 CO2(g) + 6 H2O(g)

Monoxydede carbone

CO

HydrocarburesC2H6

Monoxyded’azote

NO

Dioxydede carbone

CO2

Dioxyde decarbone et eau

CO2 et H2O

DiazoteN2

Cata

lyse

urs

Les gaz d’échappement sont ainsi rendus beaucoup moins nocifs.Bien qu’elle soit intéressante, cette technique ne règle pas tous les problèmes :•  elle n’agit qu’à une température suffisamment

élevée ;•  elle ne filtre pas toutes les impuretés : par exemple,

les oxydes de soufre SOx qui donnent finalement naissance à des gouttelettes d’acide sulfurique en suspension dans l’atmosphère et participent ainsi à la formation des pluies acides ;

•  elle ne diminue en rien la quantité de CO2 émis qui s’accumule dans l’atmosphère et pose le problème du réchauffement climatique de la planète.


1 Écrire la formule moléculaire, la formule semi-développée et la formule dévelop-pée des alcanes suivants :a) éthane ;b) n-butane ;c) n-pentane ;d) méthylpropane.

2 Soit un alcane dont la masse molaire vaut 72 g . mol–1.a) Écrire la formule moléculaire de l’alcane.b) Écrire les formules semi-développées de

tous les isomères de cet alcane.c) Attribuer un nom à chaque formule semi-

développée.

3 Compléter et pondérer les équations bi-lans traduisant les réactions de combus-tion complète.a) C2H6(g) + O2(g) →b) C4H10(g) + O2(g) →c) C25H52(s) + O2(g) →

4 Écrire les équations bilans pondérées traduisant la combustion :a) de l’éthane ;b) du n-pentane ;c) du méhylpropane.

5 La combustion d’une mol d’un alcane produit 4 mol de CO2 et 5 mol de H2O.Écrire la formule moléculaire de cet alcane.

6 Soit l’équation bilan traduisant la com-bustion complète du propane :

C3H8(g) + 5O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(g)

Calculer le nombre de moles et le volume de CO2(g) (dans les conditions NTP) obtenus si on brûle 50 g de propane.R : n = 3,4 mol ; V = 76 L

7 Une personne dort dans une pièce étan-che de 50 m3 où fonctionne un appareil de chauffage au butane consommant 150g/h. La température de la pièce est de 20°C.

L’atmosphère devient dangereuse quand le pourcentage d’O2 est réduit de 21 % à 18 %.(Vm = 24,1 L .mol–1 à 20°C)Calculer la durée au bout de laquelle cette personne risque l’asphyxie.R : durée = 3,7 h

8 Calculer le ∆ H de combustion complète d’une mole de méthane à partir du ta-bleau des énergies de liaison.

R : ∆H = –814 kJ

9 À partir des valeurs des énergies de liaison EL, calculer l’énergie libérée lors de la combustion complète de 100 g de n-butane.

R : E = 4,58 .103 kJ

10 Pour augmenter la température d’1 kg d’eau de 20°C à 100°C, il faut une éner-gie de 330 kJ.

Utiliser la table des pouvoirs thermiques pour calculer la masse d’eau que l’on peut porter de 20°C à 100°C en brûlant 1 kg de butane.

R : m = 151 kg

11 La Commission Européenne préconise, pour 2012, l’utilisation de voitures n’émettant que 130 g de CO2 par km parcouru.

Pour atteindre cet objectif, calculer la consom-mation maximale en essence aux 100 km en supposant que l’essence est de l’octane pur (masse volumique = 0,70 kg .L–1).

R : V = 6,0 L



FT3

12 Depuis 2002, toute voiture neuve ven-due en Belgique doit être accompagnée d’une étiquette informant le consom-mateur sur la consommation de car-burant et sur l’émission de dioxyde de carbone.

En supposant que la voiture dont les caracté-ristiques sont consignées ci-dessus consomme une essence constituée d’octane pur (masse volumique 0,70 kg . L–1), calculer la masse de dioxyde de carbone rejetée dans l’atmosphère par km parcouru.Comparer le résultat du calcul à la valeur indi-quée sur l’étiquette.

FT3

13 Une bombe calorimétrique est un calori-mètre permettant de mesurer les éléva-tions de température lors de réactions de combustion. Elle est constituée :– d’une enceinte fermée sous atmosphère de

dioxygène où se trouve le combustible ;– d’une enceinte extérieure remplie d’eau

et pourvue d’un thermomètre.La combustion est initiée par un courant électrique.

Filsd’allumage

Entrée d’O2(g)

H2O(l)

O2(g)

Support de l’échantillonCombustible

Récipient en acierinoxydable, à paroiépaisse, muni d’uncouvercle amovible

La valeur en eau d’une bombe calorimétrique est l’énergie absorbée par tout ce que contient le calorimètre (thermomètre, parois, eau…) et caractérise cette bombe. Elle s’exprime en kJ . °C– 1.

Ainsi l’énergie absorbée par le calorimètre et, par conséquent, produite par la combustion d’une masse m d’un alcane, peut se calculer en utilisant la relation :

Q = valeur en eau . ∆t°.

Dans une bombe calorimétrique dont la valeur en  eau  vaut  32,9  kJ . °C–1, on brûle 10 g de paraffine C25H52 et on note une élévation de température de 12,5°C.

Calculer le pouvoir thermique de la paraffine.

Chapitre 11122



SAVOIRS

•  donner la formule générale d’un alcane ;•  citer les profils des réactions de combustion des

alcanes ;•  définir pouvoir thermique d’un combustible ;

SAVOIR-FAIRE

•  écrire les formules semi-développées et dévelop-pées des alcanes à partir de leur formule molécu-laire ;

•  écrire et pondérer l’équation bilan de la combus-tion complète d’un alcane ;

•  résoudre des problèmes stœchiométriques sim-ples ;

•  calculer le ∆H∆H∆ d’une réaction de combustion H d’une réaction de combustion Hcomplète d’un alcane à partir des énergies de liaison ELELE dans les réactifs et les produitsL dans les réactifs et les produitsL ;

•  calculer la quantité théorique de chaleur libérée par une masse donnée de combustible connais-sant son pouvoir thermique ;

•  décrire le fonctionnement d’un moteur à essence et d’un moteur Diesel ;

•  décrire le principe d’un pot d’échappement cata-lytique.

FT3

14 Le propane et le n-butane sont deux alcanes utilisés comme combustibles domestiques (camping-gaz, cuisinières à gaz, chaudières de chauffage central…).

En exploitant la table des pouvoirs thermiques et les données ci-dessous, expliquer l’intérêt de ces deux gaz comme combustibles par rapport aux combustibles classiques bois, charbon, fioul.

CombustiblesComposants présents dans les produits de combustion

CO2(g) H2O(g) SO2(g)

Hydrocarbures benzéniques Goudrons Particules

(poussières)C3H8(g) + + – – – –

C4H10(g) + + – – – –

Bois + + – + + +

Charbon + + + + + +

Fioul + + + + + +

Pour en savoir plus ...


Le pétrole brut est un mélange complexe d’hydrocarbures constitué en grande partie d’alcanes et sa composition varie notablement d’un gisement à l’autre.Le raffinage du pétrole est l’ensemble des opérations qui per-mettent d’obtenir des produits prêts à l’emploi et en quantités qui répondent au mieux aux demandes du marché. Dans une raffinerie, le pétrole brut et certains de ses compo-sants sont soumis à différents traitements. Citons la distillation fractionnée, le craquage et le reformage.

Distillation fractionnée

Les constituants d’un pétrole brut ont des températures d’ébullition qui varient de manière presque continue de –43°C à +380°C en fonction de leur masse moléculaire relative et donc de leur nombre d’atomes C.Dès lors, on se contente d’effectuer, par distillation, une séparation partielle aboutissant à des fractions appelées coupes, qui sont elles-mêmes des mélanges de compositions bien définies en hydrocarbures et de caractéristiques physico-chimiques déterminées. On peut schématiser comme ci-contre une tour de dis-tillation simplifiée permettant de recueillir différents mélanges d’hydrocarbures (fractions) en fonction de leur point d’ébullition.Le tableau suivant, non exhaustif, résume les caractéristiques et usages essentiels des différentes fractions issues de la distillation.

Fractions Composition % approximatif (en masse) Usages essentiels

GAZ Propane Butane 1 % chauffage1 % chauffage

ESSENCES légères (naphta)

Mélange d’hydrocarbures : C5H12 à C7H16 20 %

Solvants (éther de pétrole) Matière de base de la pétrochimie

lourdesMélange d’hydrocarbures : C8H18 à C10H22

Carburants automobiles

KÉROSÈNEMélange d’hydrocarbures : C11H24 à C16H34

5 %Solvant Carburant pour moteurs à réaction

GAZOLE ou FIOUL léger Mélange d’hydrocarbures :

C17H36 à C20H4235 %

Chauffage domestique Moteurs Diesel

lourdCentrales thermiques Moteurs de navire Industrie lourde

HUILES et BITUMES Mélange d’hydrocarbures lourds 39 %

Lubrification des moteurs Graissage des moteurs Revêtement des routes Toitures

Pétrolebrutpréchauffé

Gaz

Essences

Kérosène

Gazole/fioul légerGazole/fioul lourdHuiles,bitumes

Fractions– 43 à 0°C

35 à 180°C

150 à 230°C

200 à 315°C

300 à 375°C

> 350°C

Point d’ébullition

Le raffinage du pétrole


Chapitre 11124

Craquage

Il arrive souvent que l’offre en essence obtenue lors de la distillation soit inférieure à la demande du marché.Pour établir un équilibre entre l’offre et la demande, on utilise une méthode de transformation des pro-duits lourds (plus de 12 atomes C dans la chaîne), souvent en excès sur le marché, en produits légers : c’est le craquage.Par exemple, il est possible, à 800°C et en présence d’un catalyseur, de « casser » la molécule C18H38 en une molécule d’isooctane (essence) et une molécule d’alcène, un hydrocarbure non saturé.

800°CC18H38 → C8H18 + C10H20 catalyseur

isooctane alcène

Reformage

Les essences qui proviennent directement de la dis-tillation du pétrole brut sont des mélanges d’alcanes à chaîne linéaire (n-alcanes) et sont de médiocre qua-lité car elles possèdent une forte capacité à l’autoal-lumage : elles peuvent s’enflammer sans étincelle lors de la compression dans le moteur.En revanche, la présence dans les essences d’alcanes ramifiés diminue la tendance à l’autoallumage et leur confère ainsi une meilleure qualité.Le reformage permet, entre autres, de transformer des alcanes à chaîne droite en alcanes ramifiés et d’améliorer ainsi la qualité de l’essence. Généralement, la transformation s’effectue sous pres-sion, à température élevée et en présence d’un cata-lyseur.L’équation suivante traduit le reformage du n-hep-tane en 2,4-diméthylpentane.

CH3 CH2CH

CH3 CH3

CH CH3CH3 CH3p, T

catalyseur

n-heptane 2,4-diméthylpentane

(CH2)5 →

Documents

Chimie 5ème