REVIZ.fr – Chaleur de réaction – Changement d'état

Niveau : première
Matière : chimie (energie thermique)

La plupart des réactions chimiques s’accompagnent d’un effet thermique, c’est-à-dire d’un échange d’énergie par chaleur avec le milieu extérieur.

On distingue 3 types de réactions :

  • réaction exothermique : elle transfère de l’énergie par chaleur au milieu extérieur.
    ex : combustion, réaction acido-basique…
  • réaction endothermique : elle absorbe de l’énergie transférée par chaleur à partir du milieu extérieur.
    ex : réaction chimique qui entraîne l’apparition de givre ou de glace
  • réaction athermique : elle n’engendre aucun transfert d’énergie par chaleur.
    ex : estérification

Comment définir l’énergie chimique ?

L’énergie chimique est en fait l’énergie mise en jeu lors de la rupture et la formation de liaisons chimiques.

D’autres formes d’énergie peuvent intervenir lors des réactions chimiques :

  • transfert d’énergie par travail mécanique (explosion)
  • transfert d’énergie par travail électrique (piles)
  • transfert d’énergie par rayonnement (luciole)

La plupart des réactions se déroulent à pression constante, sous la pression atmosphérique.
La chaleur de réaction QR varie selon que l’on opère à pression constante ou à volume constant, particulièrement pour les gaz. Le programme de première ne concerne que les réactions à pression constante.

Equation bilan

L’équation H2 + Cl2 2HCl n’a pas la même chaleur de réaction que 2H2 + 2Cl2 4HCl car les quantités de matières ne sont pas les mêmes. De plus il faut préciser l’état physique des réactifs (solide, gaz ou liquide) car la chaleur de réaction en dépend :

H2(g) + 0,5 O2(g) H2O(g)

est différent de

H2(g) + 0,5 O2(g) H2O(liquide)

Température

La chaleur de réaction dépend de la température.
Lorsque l’on donne QR à la température , cela signifie que les réactifs étaient à la température et que l’on a ramené les produits à cette température.

Définition de la chaleur de réaction

La chaleur de réaction à pression constante et à température est la quantité de chaleur qu’une réaction échange avec le milieu lorsqu’elle s’effectue de manière totale à pression constante, selon l’équation bilan écrite, les produits étant ramenés à la température des réactifs.

La chaleur de réaction QR est exprimée en J.mol-1.

Si la réaction est exothermique, QR < 0.
Si la réaction est endothermique, QR > 0.
Si la réaction est athermique, QR = 0.

Les chaleurs de réactions dont données dans les conditions standards :

p = 1 bar et T = 25°C

Calcul de QR

Si une réaction (dans les proportions stoechiométriques) a pour chaleur de réaction QR, alors la réaction de même équation bilan mais faisant intervenir 2 fois plus de réactifs aura pour chaleur de réaction 2QR.

Si une réaction n’est pas réalisée dans les conditions stoechiométriques, la chaleur échangée entre le système réactionnel et le milieu extérieur est proportionnelle à la quantité de réactif limitant.

Etat final / Etat initial

La chaleur d’une réaction effectuée sous pression constante et à une température donnée ne dépend que de l’état initial des réactifs et de l’état final des produits.

Additivité : si une réaction chimique peut être décomposée en plusieurs autres réactions chimiques, alors QR est la somme algébrique des QR des réactions intermédiaires.

L’énergie de liaison pour un corps diatomique A-B est l’énergie de liaison qu’il faut fournir à une mole de molécules, prise à l’état gazeux, pour dissocier ces molécules en leurs atomes constitutifs (A et B), à l’état gazeux, à une température donnée.

A-B(g) A(g) + B(g)

On note cette énergie de liaison DA-B. Elle est exprimée en kJ.mol-1.
Elle est toujours positive.

Pour un corps polyatomique

L’énergie nécessaire à la dissociation des molécules d’une mol de ce corps, prise à l’état gazeux, en leurs atomes constitutifs à l’état gazeux est égale, à une température donnée, à la somme des énergies moyennes de chacune des liaisons interactomiques de la molécule à cette température.

exemple : pour dissocier une mole de H2O, il faudra « casser », pour chacune des molécules d’eau, deux liaisons H-O.

En tout, il faudra donc 2 x DH-O.

Autre formule pour calculer QR (cas des réactifs et produits gazeux)

QR = énergies de liaison des liaisons détruitesénergies de liaison des liaisons créées

Si la réaction fait intervenir un corps pur non gazeux, les relations précédentes ne sont plus valables. Il faut faire intervenir une étape supplémentaire pour faire passer ce corps à l’état gazeux : on parle alors de changement d’état.

  • Liquide gaz :
    on fait intervenir la chaleur molaire de vaporisation V
  • Solide gaz :
    on fait intervenir la chaleur molaire de sublimation SUB

Q = n

avec Q en kJ, n en mol et en kJ.mol-1

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