Enthalpie de réaction

Position du problème

La réaction de combustion d’une bougie s’accompagne d’un dégagement de chaleur ; de même pour la réaction d’un acide sur une base.

La réaction de dissolution du nitrate d’ammonium dans l’eau s’accompagne d’une diminution de la température de l’eau

La réaction d’estérification ne s’accompagne d’aucun effet thermique Ci-contre : éthanoate de 3-méthylbutyle)

La thermodynamique chimique

• La thermodynamique chimique encore appelée thermochimie, étudie les échanges d’énergie qui accompagnent les changements d’états et les réactions chimiques.

• Elle permet d’évaluer l’énergie échangée lors d’une réaction et d’étudier l’évolution de la réaction (spontanée, totale, équilibre …).

L’enthalpie de réaction

L’enthalpie d’une réaction chimique, notée ΔrH, est l’énergie thermique échangée lors de cette réaction chimique lorsqu’elle est effectuée à pression constante Elle s’exprime en Joule par mole (J.mol-1 ou kJ.mol-1)

Remarque :L’énergie thermique échangée lors d’une réaction chimique effectuée à volume constant est égale à ΔrU, U étant l’énergie interne.

Réaction chimique et effet thermique

Une réaction endothermique est une réaction au cours de laquelle le système gagne (reçoit) de l’énergie thermique (chaleur), ΔrH > 0.

Une réaction exothermique est une réaction au cours de laquelle le système dégage (cède) de la chaleur, ΔrH < 0

Lors d’une réaction athermique, il n’y a pas d’échange de chaleur, ΔrH = 0

Pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique d’un combustible est l’énergie thermique dégagée lors de la réaction de combustion complète d’un kilogramme de ce combustible.

Chaleur de réaction à partir des énergies de liaison

Généralisation :L’enthalpie standard de dissociation de la molécule gazeuse AB à la température T notée DA – B

correspond à la réaction : AB(g) = A(g) + B(g).(La rupture homolytique d’une liaison correspond à la réaction de dissociation par laquelle une molécule est scindée en atomes ou radicaux libres). Les enthalpies standard de dissociation sont données dans les tables.

Remarque : DC=O ≠ 2 DC - O.

Exemple de la molécule H – Cl :L’énergie de la liaison H – Cl est l’énergie qu’il faut fournir pour casser cette liaison ; elle est aussi appelée énergie ou enthalpie de dissociation et est notée D(H – Cl)Elle correspond à la réaction H – Cl(g) → H(g) + Cl(g)

Chaleur de réaction à partir des énergies de liaison

Exemple :

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

C(g) + 4 H + 4 O

2 liaisons C = O et 4 liaisons O – H sont formées (réaction inverse de les casser)

- 2D(C = O) - 4 D(O – H)

4 liaisons C – H et de 2 liaisons O = O sont cassées

+ 4D(C – H) + 2 D(O = O)

ΔH°r = 4D(C – H) + 2 D(O = O) - 2D(C = O) - 4 D(O – H)

Généralisation : ΔrH° = ΣD(liaisons cassées) – ΣD(liaisons formées)

Attention : si les molécules ne sont pas gazeuses, il faut tenir compte de l’énergie nécessaire pour les rendre gazeuses

Chaleurs de changement d’état

Les changements d’état se font à température constante. A chacun d’eux, correspond une enthalpie molaire de changement d’état :

Passage de solide à liquide : fusion : ΔHfusion

Passage de liquide à gaz : vaporisation : ΔHvap

Passage de solide à gaz : sublimation : ΔHsub

Fusion du verre

Sublimation de l’iode

Vaporisation de l’eau : île de la Réunion mai

2007, Piton de la Fournaise

Et pour aller plus loin

Corps pur et corps pur simple

Un corps pur est constitué d’une seule espèce chimique : exemple de l’eau pure ne contient que des molécules H2O, Autres exemples : C4H10, C2H2 et O2

Un corps pur simple est un corps pur dont l’espèce chimique n’est constituée que d’un seul élément : exemple le gaz oxygène : O2.

Bouteille de Butane C4H10.

Bouteilles d’oxygène pur O2 et d’acétylène pur C2H2 pour chalumeaux

État standard

L’état standard d’un constituant correspond son état le plus stable à la pression standard P° = 105 Pa et à la température T de l’expérience.

L’état standard de référence d’un élément à la température T est l’état physique du corps pur simple le plus stable, sous une pression de 105 Pa, à la température T de l’expérience.

Exemple à P = 105 Pa et T = 25 °C :Pour le carbone : le carbone graphite Pour l’oxygène : le gaz O2

Chaleur de réaction à partir des chaleurs de formation

L’enthalpie standard de formation d’un composé chimique correspond à la variation d’enthalpie lors de la réaction de formation d’une mole de ce composé, à pression constante, à partir des corps simples pris dans leur état standard de référence à la température T. Elle est notée ΔfH° s’exprime en J.mol-1 ou en kJ.mol-1.Exemples : L’enthalpie de formation de l’eau ΔH°f(H2O) est l’enthalpie de la réaction : H2(g) + ½ O2(g) = H2O(l) L’enthalpie de formation du méthane ΔH°f(CH4) est l’enthalpie de la réaction : 2 H2(g) + C(s) = CH4(g) •L’enthalpie standard de formation d’un corps simple correspond à l’état standard de référence d’un élément est nulle : ΔfH°(O2(g)) = 0.•Plus une molécule est stable, plus son enthalpie de formation est basse.