Comment mesurer le changement d'énergie d'une réaction ? Il n'est pas possible de le faire directement. Cependant, nous pouvons le faire indirectement. Une façon de le faire est de mesurer le changement d'enthalpie de la réaction en utilisant un procédé appelé calorimétrie.
- Ce résumé de cours porte sur la calorimétrie en physique chimie.
Nous allons commencer par examiner les différents types de calorimétrie.
Nous étudierons ensuite l'équation utilisée en calorimétrie pour calculer le changement d'enthalpie.
Ensuite, nous verrons comment utiliser la calorimétrie pour calculer les enthalpies de réaction, de neutralisation et de combustion.
Enfin, nous passerons en revue certaines des limites de la calorimétrie.
Quelle est la définition de la calorimétrie ?
La calorimétrie est une méthode permettant de mesurer le changement d'enthalpie d'une réaction en mesurant le changement de température que la réaction provoque.
Le changement d'enthalpie est le changement de chaleur d'une réaction à pression constante. Nous explorons ce sujet de manière beaucoup plus approfondie dans l'article Changements d'enthalpie.
Comme nous l'avons vu plus haut, la calorimétrie est une méthode utilisée pour mesurer le changement d'enthalpie de la réaction. En d'autres termes, elle mesure le changement de chaleur d'une réaction. Cependant, il est impossible de mesurer directement le changement de chaleur. Au lieu de cela, nous devons mesurer le changement de température causé par la chaleur.
La température et la chaleur sont des choses différentes. La chaleur est une forme d'énergie. C'est la somme totale de toutes les énergies des particules d'une substance. Comme tous les types d'énergie, elle est mesurée en joules \( J \) ou en kilojoules \( kJ \) . D'autre part, la température est une mesure de l'énergie. Elle se rapporte à l'énergie moyenne des particules d'une substance et se mesure en kelvins \( K \) , en degrés Celsius \( °C \) ou en degrés Fahrenheit \( °F \) . On peut également dire que la température est simplement une mesure de la chaleur ou du froid d'une substance.
Il est important de noter que la chaleur est liée au nombre de particules dans une substance, alors que la température ne l'est pas. Si tu as plus de particules dans une substance, l'énergie totale stockée augmente, et donc leur chaleur augmente. Cependant, leur énergie moyenne ne change pas nécessairement, et la température peut donc rester la même.
L'énergie thermique circule toujours d'une température plus élevée vers une température plus basse - en d'autres termes, d'une substance chaude vers une substance froide. Lorsque tu chauffes une substance, tu lui transfères de l'énergie. Cela peut entraîner une augmentation de la température. Cependant, cela peut également entraîner un changement d'état. Mais si la substance reste dans le même état, cela signifie que le changement de température est un moyen pratique de mesurer le changement de chaleur. En d'autres termes, c'est un moyen de mesurer le changement d'enthalpie.
Types de calorimétrie
Il existe plusieurs types de calorimétrie :
- la calorimétrie directe
- Calorimétrie indirecte
- Calorimétrie différentielle à balayage
Pour tes examens, tu n'as besoin de connaître que la calorimétrie directe. C'est généralement ce que les gens entendent lorsqu'ils parlent de calorimétrie et, sauf indication contraire, c'est ce dont nous parlons lorsque nous parlons de calorimétrie dans la suite de cet article. Cependant, nous avons inclus les autres types de calorimétrie ci-dessous comme autres exemples d'intérêt.
Calorimétrie directe
La calorimétrie directe, comme son nom l'indique, mesure le changement de chaleur d'une réaction chimique en mesurant directement le changement de température qu'elle provoque. Pour ce faire, elle utilise un calorimètre.
Un calorimètre est un outil utilisé pour mesurer le changement d'enthalpie d'une réaction chimique.
Fig.1- Un calorimètre simple
Un calorimètre simple peut être fabriqué avec un gobelet en polystyrène, de l'eau et un thermomètre. La réaction qui nous intéresse libère de l'énergie thermique qui réchauffe l'eau. L'idée est de minimiser la perte de chaleur et de mesurer le changement de température de l'eau, puis de l'utiliser pour calculer le changement d'enthalpie de la réaction.
En biologie, la calorimétrie directe consiste généralement à mesurer le changement de chaleur d'un organisme vivant en le plaçant dans une chambre hermétique et en mesurant le changement de température de l'air environnant.
Calorimétrie indirecte
La calorimétrie indirecte est un terme utilisé en biologie. Il s'agit d'un moyen de mesurer la variation de chaleur d'un organisme en mesurant soit son absorption d'oxygène, soit sa production de dioxyde de carbone ou d'azote.
Calorimétrie différentielle à balayage
Des substances différentes ont toutes besoin de quantités différentes d'énergie thermique pour augmenter leur température. La calorimétrie différentielle à balayage est une technique utilisée pour mesurer la différence de quantité d'énergie nécessaire pour élever la température d'un échantillon et d'une substance de référence de la même quantité. Elle est souvent utilisée en biologie pour déterminer la capacité calorifique spécifique de diverses protéines et autres molécules biologiques, et étudier leur réaction au chauffage.
Calorimétrie : formule
Comme nous l'avons vu plus haut, le but de la calorimétrie est de mesurer le changement d'enthalpie d'une réaction. Pour ce faire, nous mesurons le changement de température d'une autre substance provoquée par la réaction. Appelons cette substance \( X \) . La température et l'enthalpie sont liées par l'équation suivante :
$$ q= mc \Delta T $$
Dans cette équation :
- \( q \) est le changement d'enthalpie de la réaction, mesuré en \( J \) ;
- \( m \) est la masse de \( X \) , mesurée en \( g \) ;
- \( c \) est la capacité thermique spécifique de \( X \) , mesurée en \( J.g^{-1}.K^{-1} \) ;
- \( \Delta T \) est le changement de température de \( X \) , mesuré en \( K \) .
La capacité thermique spécifique, \( c \) , est l'énergie nécessaire pour élever d'un kelvin la température d'un gramme d'une substance. Elle est mesurée en joules par gramme par kelvin, .
Tu peux en savoir plus sur la capacité thermique spécifique dans notre résumé de cours sur la physique thermique.
Ne t'inquiète pas, nous allons nous entraîner à utiliser cette équation dans une seconde. Mais pour l'instant, passons à l'objet principal de ce résumé de cours : la réalisation d'une calorimétrie.
Calorimétrie : thermodynamique
Nous avons déjà exploré un type de calorimètre. Il se compose d'un gobelet en polystyrène rempli d'eau ou d'une autre solution. L'énergie thermique libérée par une réaction est utilisée pour chauffer l'eau et le changement de température de l'eau est mesuré. Nous allons maintenant examiner plus en détail comment tu peux utiliser la calorimétrie pour calculer les enthalpies de réaction, de neutralisation et de combustion.
N'oublie pas :
Le changement d'enthalpie de la réaction est le changement d'enthalpie lorsque des quantités égales de réactifs réagissent pour former des produits, avec toutes les espèces dans leurs états standards et dans des conditions standards.
La variation d'enthalpie de neutralisation est la variation d'enthalpie lorsqu'un acide et une base réagissent ensemble pour former une mole d'eau, dans des conditions normales.
La variation d'enthalpie de la combustion est la variation d'enthalpie lorsqu'une mole d'une espèce brûle complètement dans l'oxygène, toutes les espèces étant dans leur état standard et dans des conditions standards.
Les conditions standards impliquent une pression de \( 100 kPa \) et \( 298 K \) . Les états standards sont les états dans lesquels se trouve une espèce, dans ces conditions.
Si c'est la première fois que tu rencontres les enthalpies, nous te conseillons de te rendre sur la page Changements d'enthalpie pour une étude plus détaillée.
Trouver l'enthalpie de réaction
Pour les réactions impliquant le mélange de deux solutions ou l'ajout d'un solide à une solution, tu peux calculer l'enthalpie de la réaction en utilisant la calorimétrie. Pour cela, il faut mélanger les deux solutions ou ajouter le solide à la solution, puis mesurer le changement de température de la solution. Dans cet exemple, nous allons ajouter un solide à une solution aqueuse. Voici la méthode :
- Rince un gobelet en polystyrène et une éprouvette graduée dans la solution que tu vas utiliser, puis sèche-les soigneusement.
- Mesure \( 50 cm^3 \) de la solution et verse-les dans le gobelet en polystyrène. Place le gobelet dans un bécher et ajoute un couvercle par-dessus.
- Pèse environ \( 2,00 g \) de ton réactif solide dans un pèse-personne.
- Perce un thermomètre à travers un trou dans le couvercle. Mesure la température de la solution toutes les \( 30 \) secondes pendant trois minutes.
- À la troisième minute, ne mesure pas la température, mais ajoute plutôt ton réactif solide à ta solution. Pèse à nouveau le bateau de pesée pour voir s'il reste du solide et soustrais-le du poids de départ.
- Mesure la température de la solution toutes les \( 30 \) secondes pendant cinq minutes, ou jusqu'à ce que la température reste constante.
Si tu veux plutôt mélanger deux solutions aqueuses, mesure chaque solution dans des cylindres de mesure séparés, tous deux rincés dans leur solution respective. Verse la première solution dans le gobelet en polystyrène. Mesure la température des deux solutions toutes les \( 30 \) secondes. Au bout de trois minutes, ajoute la deuxième solution à la première et continue à mesurer sa température toutes les \( 30 \) secondes comme pour la méthode ci-dessus.
Trouver le changement d'enthalpie
Nous devons maintenant trouver le changement de température de la réaction, car nous pouvons l'utiliser pour trouver le changement d'enthalpie de la réaction. Cependant, nous n'avons pas obtenu de valeur de température pour le moment exact où nous avons ajouté le solide et commencé la réaction. Le point d'addition est à \( 3 \) minutes, alors que notre premier point de données est à la marque de \( 3 \) minutes \( 30 \) secondes. Pour trouver l'augmentation exacte de la température de la réaction, nous devons d'abord tracer un graphique de la température de la solution en fonction du temps et extrapoler la température jusqu'au point d'addition. Cela te semble confus ? Voici comment procéder.
On ajoute \( 2,00g \) de zinc à \( 50 cm^3 \) d'une solution de sulfate de cuivre \( 0,2 mol.dm^{-3} \) et on obtient les données suivantes. Le zinc est ajouté à \( 180 \) secondes.
Fig. 2- Valeurs des données pour une expérience de calorimétrie.
Trouve l'enthalpie de la réaction. Tu peux supposer que la solution de sulfate de cuivre a une densité de \( 1g.cm^{-3} \) et une capacité thermique spécifique de \( 4,18 J.g^{-1}.K^{-1} \) .
Pour trouver le changement d'enthalpie de la réaction, nous devons utiliser l'équation dont nous avons parlé précédemment : Quelles sont les valeurs que nous connaissons ?
Eh bien, \( m \) désigne la masse de la solution à chauffer, dans ce cas, la solution de sulfate de cuivre. Le sulfate de cuivre a une densité de \( 1 g.cm^{-3} \) et notre solution pèse donc \( 50 g. c \) correspond à la capacité thermique spécifique de la solution de sulfate de cuivre, qui est donnée dans la question : \( 4,18 J.g^{-1}.K^{-1} \) . Il nous suffit de trouver \( \Delta T \) , la variation totale de température de la réaction. Pour ce faire, reportons nos points sur un graphique. Place la température sur l'axe des \( y \) et le temps sur l'axe des \( x \) . Tu devrais obtenir quelque chose comme ceci :
Fig. 3- Points de données d'une expérience de calorimétrie reportés sur un graphique.
Nous devons maintenant tracer deux lignes de meilleur ajustement - une avant l'ajout du zinc au bout de \( 3 \) minutes, et une après. Remarque : il n'y a pas de point de données au bout de \( 3 \) minutes. Au lieu de cela, nous extrapolons nos lignes jusqu'à ce point. Tu peux le voir ci-dessous :
Fig. 4- Points de données d'une expérience de calorimétrie reportés sur un graphique.
Pour trouver le changement de température de la réaction, nous mesurons la différence entre les deux lignes au point d'addition, c'est-à-dire au bout de \( 3 \) minutes.
Fig. 5- Points de données d'une expérience de calorimétrie reportés sur un graphique.
Tu as peut-être remarqué que nous avons mesuré la température en \( ℃ \) , mais l'équation pour le changement d'enthalpie nécessite une température en \( K \) . Cependant, nous ne sommes intéressés que par le changement de température. Un changement de \( 1 ℃ \) est identique à un changement de \( 1 K \) , et donc ici les unités sont interchangeables.
Nous pouvons maintenant substituer toutes ces valeurs dans l'équation :
$$ q= mc \Delta T = 50 \times 4,18 \times 27 = 5643 J $$
Cependant, ce n'est pas la réponse finale. Nous devons encore faire deux choses.
Premièrement, nous avons simplement calculé le changement d'enthalpie. La question demandait l'enthalpie de réaction, qui est donnée en \( kJ / mol \) . Nous devons déterminer combien de moles de zinc ont réagi et diviser le changement d'enthalpie calculé par ce nombre. Le zinc a un numéro atomique de \( 65,4 \) , et nous en avons \( 2,00 \) grammes dans la question. Nous avons donc
$$ 2 \div 65,4 = 0,0306 mol $$
$$ 5643 \div 0,0306 = 184,4 kJ.mol^{-1}$$
Enfin, il s'agissait d'une réaction exothermique. Globalement, de l'énergie a été libérée. Par conséquent, la réponse finale doit être précédée d'un signe négatif : \( -184,4 kJ.mol^{-1} \)
Trouver l'enthalpie de neutralisation
La détermination de l'enthalpie de neutralisation fonctionne exactement de la même manière que celle de l'enthalpie de réaction. Tu combines tes deux réactifs, qu'il s'agisse de solutions ou d'un solide et d'une solution, et tu enregistres le changement de température pendant plusieurs minutes. Tu traces ensuite un graphique et tu extrapoles jusqu'au point d'addition afin de trouver une température maximale. Tu calcules ensuite le changement de température et l'enthalpie, comme décrit ci-dessus.
Calcul de l'enthalpie de combustion
Pour les réactions impliquant une combustion, nous pouvons calculer l'enthalpie de combustion en utilisant la calorimétrie. Pour ce faire, nous brûlons un combustible sous un bécher d'eau et mesurons le changement de température de l'eau. Voici comment procéder :
- Mesure une masse connue d'eau froide dans une boîte en cuivre ;
- Suspends la boîte en cuivre au-dessus d'un brûleur à combustible à l'aide d'un support et d'une pince ou d'un trépied ;
- Mesure la température de l'eau et la masse du brûleur ;
- Allume le brûleur et laisse-le brûler jusqu'à ce que la température de l'eau ait augmenté d'environ \( 25 °C \) . Continue à mesurer la température car elle peut encore augmenter après l'extinction du combustible ;
- Mesure à nouveau la masse du brûleur et soustrais-la de sa masse de départ pour connaître le changement de masse du brûleur.
Trouver le changement d'enthalpie
Il est plus facile de trouver l'enthalpie de combustion que l'enthalpie de réaction. Tu peux facilement trouver le changement de température en soustrayant la température de départ de l'eau de la température maximale qu'elle atteint. À partir de là, il te suffit de substituer tes valeurs dans l'équation que nous avons utilisée précédemment, . Prenons un exemple.
\( 0,5g \) de propan-2-ol se brûle complètement, chauffant \( 150g \) d'eau. La température de l'eau passe de \( 21 ℃ \) à \( 50 ℃ \) . Calcule la variation d'enthalpie de combustion pour cette réaction. La capacité thermique spécifique de l'eau est \( 4,18 J.g^{-1}. K^{-1} \) .
Tout d'abord, nous devons calculer le changement d'enthalpie de la réaction. Ici, \( m = 150 \) et \( c = 4,18 \) . Pour trouver \( \Delta T \) , le changement de température, nous soustrayons la température de départ à la température finale. Ici, \( \Delta T = 50 - 21 = 29 ℃ \) . En mettant toutes ces valeurs dans l'équation de l'enthalpie, on obtient ce qui suit :
$$ q = mc \Delta T = 150 \times 4,18 \times 29 = 18183 J $$
Cependant, l'enthalpie de combustion est mesurée en kilo joules par mole. Nous devons maintenant diviser la variation d'enthalpie par le nombre de moles d'éthanol brûlé. La masse relative de la formule de l'éthanol est de \( 46 \) . Nous avons donc \( 0,5 \div 46 = 0,0109 \) mol d'éthanol. L'enthalpie de combustion de l'éthanol est donc de \( 18183 \div 0,0109 = 1668,2 kJ.mol^{-1} \) . Mais nous n'avons pas tout à fait terminé : une fois de plus, il s'agit d'un exemple de réaction exothermique et nous avons donc besoin d'un signe négatif devant la réponse. Notre réponse finale est \( -1668,2 kJ.mol^{-1} \) .
Limites de la calorimétrie
La calorimétrie peut être extrêmement frustrante. Tu peux suivre une méthode identique à celle de ton partenaire mais obtenir des résultats extrêmement différents. Cela est dû au fait que de nombreuses variables entrent en jeu pendant la calorimétrie et qu'il est impossible de toutes les contrôler avec précision. Par exemple :
- Il peut y avoir un transfert d'énergie vers ou depuis l'environnement, généralement sous la forme d'une perte de chaleur ;
- Nous supposons toujours que la solution utilisée a la capacité thermique spécifique et la densité de l'eau pure, mais cela peut ne pas être le cas ;
- La réaction pourrait être incomplète ;
- Une partie de l'énergie thermique libérée pourrait chauffer l'appareil au lieu de la solution elle-même ;
- Une partie du combustible pourrait s'évaporer.
Cependant, il existe des moyens de minimiser la variation des résultats. Il s'agit principalement de minimiser la perte de chaleur dans l'environnement. Voici quelques exemples :
- Lorsque tu mesures l'enthalpie de réaction, tu mets la solution qui réagit à l'intérieur d'un gobelet en polystyrène, qui est à son tour placé à l'intérieur d'un bécher. Cela permet d'isoler la solution ;
- Lorsque tu mesures l'enthalpie de combustion, tu peux utiliser un pare vent pour protéger le brûleur de tout courant d'air. Tu dois également maintenir le bécher d'eau à une distance fixe au-dessus du brûleur, afin de rendre tes résultats plus reproductibles ;
- Dans les deux cas, tu peux placer un couvercle sur le bécher ou le gobelet en polystyrène, afin d'améliorer l'isolation et de minimiser les pertes de chaleur.
Calorimétrie - Points clés
- La calorimétrie est une méthode permettant de mesurer le changement d'enthalpie d'une réaction en mesurant le changement de température que la réaction provoque.
- Un calorimètre simple peut être fabriqué avec un gobelet en polystyrène, de l'eau et un thermomètre. On utilise l'énergie thermique libérée par la réaction pour chauffer l'eau et on utilise le changement de température de l'eau pour calculer le changement d'enthalpie de la réaction.
- Le changement d'enthalpie, la masse, la capacité thermique spécifique et le changement de température sont liés par l'équation.
- Tu peux utiliser la calorimétrie pour mesurer l'enthalpie de réaction, l'enthalpie de neutralisation et l'enthalpie de combustion.
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